DE2202521C2

DE2202521C2 - Hochdruck-Quecksilberdampflampe

Info

Publication number: DE2202521C2
Application number: DE2202521A
Authority: DE
Inventors: William A. Cranford N.J. Thornton jun.; Melvin C. Wyckoff N.J. Unglert
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1971-01-26
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1983-11-03
Also published as: FR2123396B1; NL7201076A; US3670194A; JPS5528181B1; MY7500080A; CA932376A; ES399005A1; DE2202521A1; FR2123396A1; BE778439A; IT946662B; PH9633A; GB1366940A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe mit einem sowohl sichtbare als auch UV-Strahlen emittierenden Entladungsrohr, das von einem an seiner Innenfläche mit einer im wesentlichen zwei Leuchtstoffe enthaltenden Beschichtung versehenen äußeren Kolben umgeben ist.

Hochdruck-Quecksilberdampflampen stellen die übliche Beleuchtung für Straßen, Parkplätze, hohe Fabrikhallen u.dgl. dar. Die Farbe dieser Lampen ist zwar nicht unangenehm, jedoch ist die Farbwiedergabe beleuchteter Gegenstände, insbesondere dann, wenn diese Gegenstände Fleischfarbe haben, sehr unbefriedigend. Um die Farbwiedergabe beleuchteter Gegenstände zu verbessern, kann man die Innenfläche des bei diesen Lampen vorgesehenen äußeren Kolbens mit einer rot fluoreszierenden Leuchtstoffschicht versehen, wodurch von dem Lichtbogen erzeugte UV-Strahlung in nutzbares sichtbares Licht umgesetzt wird, und ohne diese Umsetzung ungenutzt bliebe. Durch den Einsatz derartiger rot fluoreszierender Leuchtstoffe kann auch die Farbwiedergabe beleuchteter Gegenstände und

insbesondere die Wiedergabe fleischfarbener Gegenstände etwas verbessert werden, trotzdem bleibt die Farbwiedergabe derartiger beleuchteter Gegenstände immer noch verhältnismäßig unbefriedigend. Der Einsatz von Quecksilberdampflampen der eben genannten Art beschränkt sich daher auf Einsatzbereiche, wo es auf eine gute Farbwiedergabe der beleuchteten Gegenstände, insbesondere mit fleischfarbener Tönung, nicht so sehr ankommt Die US-PS 27 48 303 beschreibt eine derartige Technik, bei der die Lichtausbeute bzw. das von dem Quecksilberdampflichtbogen abgegebene Licht durch langwellige Strahlung farblich korrigiert wird, indem die Innenfläche des äußeren Kolbens mit einem entsprechend reagierenden Leuchtstoff beschichtet wird.

Aus der DE-PS 9 75 254 ist bereits eine farbkorrigierte Hochdruck-Quecksilberdampflampe der eingangs genannten Art bekannt deren das Entladungsrohr umgebender Kolben auf seiner Innenfläche mit zwei Leuchtstoffen beschichtet ist In der Druckschrift werden verschiedene Beispiele für Beschichtungsmischungen angegeben, die jedoch offensichtlich alle so ausgewählt sind, daß die Emission des Leuchtstoffgemisches über fast das ganze sichtbare Spektrum verteilt ist, weil angeblich dadurch die Wiedergabe aller Farben im Licht der Quecksilberdampflampe gut ist, siehe die Zeilen 84 bis 8t der Druckschrift. Genau diese gleichförmige Verteilung der Emission über das (sichtbare) Spektrum führt aber zu einem ungünstigen Wirkungsgrad, wie sich erst in jüngster Zeit gezeigt hat. Insbesondere wurde gefunden, daß sich eine viel höhere Lichtausbeute bei unverändert guter Farbwiedergabe (oder gar verbesserter Farbwiedergabe) ergibt, wenn eben nicht die Emission des Leuchtstoffgemisches über das gesamte Spektrum gleichförmig verteilt ist. sondern wenn statt dessen die Emission im wesentlichen auf zwei Wellenlängebereiche beschränkt wird, die zum einen im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums und zum anderen im langwelligen Be.eich des Spektrums sich befinden.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe der eingangs genannten Art derart mit zwei Leuchtstoffen zu beschichten, daß sich ein höherer Wirkungsgrad ergibt, ohne daß die Farbwiedergäbe darunter leidet.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der erste Leuchtstoff eine schmalbandige Emission mit einer Emissionsspitze im Bereich von 440 bis 470 nm und der zweite Leuchtstoff eine schmalbandige Emission mit einer Emissionsspitze im Bereich von 605 bis 630 nm aufweist und die Strahlungsleistung in Watt des ersten Leuchtstoffes zu der des zweiten Leuchtstoffes zwischen 0,05 :1 und 0.4 :1 liegt.

Durch diese besondere Leuchtstoffwahl sowie durch die besondere Ausgestaltung der jeweiligen Energieabstrahlung wird nicht nur die gewünschte korrekte Farbwiedergabe erreicht es wird vor allem auch ein höherer Wirkungsgrad als beim Stand der Technik erlangt.

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der erste Leuchtstoff eine Emissionsspitze bei etwa 450 nm und der zweite eine Emissionsspitze bei etwa 620 nm aufweist (Anspruch 2).

Anspruch 3 lehrt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Quecksilberdampflampe, die sich als besonders günstig erwiesen hat. wobei der erste Leuchtstoff eine Matrix von Chlorapaiit. Bromapatit

und Chlorbromapatit eines Erdalkalimetalls ist, und das Erdalkalimetall von mindestens einem der Stoffe Calcium, Barium oder Strontium gebildet ist, während das Halogen mindestens von Chlor oder Brom gebildet ist, ferner zweiwertiges Europium in einem aktivierenden Anteil anwesend ist, und der zweite Leuchtstoff eine Matrix aus Yttriumvanadat oder Yttriumphosphatvanadat mit einem aktivierenden Anteil an dreiwertigem Europium ist.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß aus der DE-OS 19 22 416 der Anmelderin bereits eine Hcchdruck-Quecksüherdampflampe an sich bekannt ist, die mit einer Beschichtung versehen werden kann, die einen mit zweiwe« ligem Europium aktivierten Erdalkalimetallhalophosphatleuchtstoff mit Apatitstruktur umfaßt.

Besonders hohe Wirkungsgradverbesserungen ergeben sich gemäß Anspruch 4, wenn das relative Gewichtsverhältnis des ersten Leuchstoffes zu dem des zweiten Leuchtstoffes zwischen 0,1 :1 bis 03 :1 liegt Besonders günstig gemäß Anspruch 5 ist ein Gewichtsverhältnis des ersten Leuchtstoffes zu dem -weiten Leuchtstoff von etwa 0,2 ■ 1-

Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Matrix des ersten Leuchtstoffes Strontium- oder Calciumchlorapatit (Anspruch 6).

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen erläutert

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe mit einer erfindungsgemäß gestalteten Leuchtstoffbeschichtung;

F i g. 2 ein Diagramm der relativen Energie in Abhängigkeit von der Wellenlänge, um die spektrale Ausbeute einer Standard-Hochdruck-Quecksilberdampflampe bei Wellenlängen zwischen 300 nm bis 700 nm zu zeigen;

F i g. 3 das x, _y-Farbdiagramm des ICI (International Commission ο Illumination) -Systems mit den x. y- Koordinaten für eine sogenannte Deluxe-Weiß-Quecksilberdampflampe sowie mit einem eingetragenen Band, das die Komplementärfarbe andeutet, die sich am besten für die Kompensation der gelben Strahlung der Quecksilberlampe eignet:

F i g. 4 ein Diagramm der EmissionsWistung (Watt) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (nm) für drei verschiedene fluoreszente Emissionen, deren Scheitelwert jeweils bei 430 nm, 450 bzw. 470 nm liegt;

F ι g. 5 ein Diagramm de*. Farbwiedergabeindexes in Abhängigkeit von der Wellenlänge, das den resulierenden Farbwiecergabeindex des von der ICI (Veröffentlichung CIE 13) verwendeten, gelb gefärbten Gegenstandes bei Beleuchtung mit einer sogenannten Deluxe-Weiß-Quecksilberdamptlampe für den Fall der Veränderung durch die Überlagerung mit Strahlung aus dem kurzwelligen Bereich mit zwischen 430 und 480 nm schwankenden Emissionsscheitelwerten zeigt;

Fig.6 ein Diagramm der relativen Energie in Abhängigkeit von der Wellenlänge, das die spektrale Verteilung für mit zweiwertigem Europium aktivierten Strontium-Chlorapatit veranschaulicht;

Fig. 7 ein Diagramm der relativen Energie in Abhängigkeit von der Wellenlänge, das die spektrale Verteilung für mit dreiwertigem Europium aktiviertes Yttriumphosphatvanadat darstellt;

Fig. 8 ein Diagramm de. Farbwiedergabeindexes in Abhängigkeit vom Gewichtsverhältnis der Leuchtstoffkomponenten; und

Fig.9 in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt durch einen beschichteten Außenkolben, bei dem die Leuchtstoffkomponenten in zwei gesonderten Lagen aufgebracht sind.

Im einzelnen ist in F i g. 1 eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe 10 dargestellt, die ein inneres Entladungsrohr 12 aufweist, das von einem durchlässigen äußeren Kolben 14 aus Glas umgeben ist. Der Aufbau

ίο des inneren Entladungsrohrs 12, das normalerweise aus Quarz hergestellt wird, ist bekannt und umfaßt Hauptelektroden 16, die an beiden Enden des Entladungsrohrs 12 angeordnet sind, wobei eine der beiden Hauptelektroden 16 außerdem eine Zündelektrode 18 aufweist Das Entladungsrohr 12 ist in herkömmlicher Weise innerhalb des äußeren Kolbens 14 durch einen Stützriemen 20 gehalten, und ein Zündwiderstand 22 dient zur Verbindung der Zündelektrode 18 mit einem Pol der Energieversorgung. Für den Anschluß an eine geeignete EnergiequpHe dienen die in herkömmlicher Weise hindurchgefühften Zuleitungen 24, die jeweils in bekannter Weise in einen herkömmlichen Schraubsockel 26 münden. Die Innenfläche des Kolbens 14 ist mit einer Schicht 28 überzogen, die im wesentlichen aus einem ersten und einem zweiten Leuchtstüif besteht, wie das weiter unten noch erläutert wird.

Fig.2 zeigt die spektrale Emission eines einfachen, d. h. keiner weiteren Farbkorrektur unterworfenen Hochdruck-Quecksilberdampflichtbogens für Wellenlängen zwischen 300 nm bis 700 nm. Bei unterhalb 300 nm Wellenlänge treten ebenfalls weitere starke UV-Linien auf, die hier jedoch nicht gezeigt sind. Es wurde bereits erwähnt, daß man die Lichtausbeute bzw. das von dem Quecksilberbogen abgegebene Licht durch langwellige Strahlung farblich korrigieren kann, indem beispielsweise die Innenflächen des äußeren Kolbens mit einem Leuchtstoff beschichtet wird, der bei Bestrahlung mit UV-Licht ein entsprechend langwelligeres Licht abgibt. Yttriumvanadat oder Yttriumphosphatvnadat, jeweils mit einem dreiwertigem Europium aktiviert, verbessern bereits die Wiedergabe von Gegenständen, die Fleischfarbe besitzen, wenn auch insbesondere die Wiedergabe menschlicher Haut unbefriedigend bleibt. Diese unbefriedigende Farbwiedergabe fleischfarbener Tönung beruht auf der sehr starken Gelbstrahlung, die von dem Quecksilberbogen emittiert wird.
Das in Fig. 3 wiedergegebene x. y- Farbdiagramm gibt die Farbe einer herkömmlichen sogenannten Deluxe-Weiß-Quecksiiberdampflampe wieder, in die ein dem Vanadattyp angehörender Leuchtstoff zur Farbkorrektur eingebaut ist, siehe das Symbol »DW«. Von dem »Gelb«-Bereich (570—580 nm) des Diagramms sind zu dem Blaubere'ch (450 nm) des Diagranms zwei Linien gezogen, die anzeigen, daß die einen ungünstigen Einfluß ausübende Gelbstrahlung des Quecksilberdampflichtbogens durch Blaustrahlung im Bereich von 450 nm kompensiert erden muß. Die Blaustrahlung ist komplementär zu dem störenden Gelb, und wenn sie von den Strahlungen größerer Wellenlänge, wie sie durch den Leuchtstoff von Vanadattyp erzeugt werden überlagert werden, ergibt sich eine Farbwiedergabe bei beleuchteten Gegenständen, insbesondere bei der menschlichen Haut,die erheblich verbessert ist.

Um diese Verbesserung in der Farbwiedergabe von fleischfarbener Tönung zu veranschaulichen, die durch Überlagerung von blauer Strahlung spezieller Wellen-

länge zu der normalen Emission der sogenannten farbkorrigierten Deluxe-Weiß-Quecksilberdampflampe erhalten werden kann, wurde Blaustrahlung mit einem Band, das eine Scheitelemission zwischen 430 und 470 nm aufweist, als Komponente zugegeben, wobei die spektrale Verteilung der zugeführten Emissionen in F i g. 4 wiedergegeben ist. Die so abgewandelte Lampe wurde dann dazu verwendet, die »Gelb«-Probe gemäß Definition ICI zu beleuchten, weil unter den verschiedenen acht definierten Farbproben die gelbe Farbe der Tönung der menschlichen Haut am nächsten kommt. Wie in Fig. 5 zu erkennen ist, wurde ein Scheitelwert mit einer hinzugefügten Blausirahlung erreicht, die ihre Spitze bei etwa 450 nm besaß.

Um einen guten Farbwicdergabeindex zu erreichen, sollte die hinzugefügte blaue Strahlung ihren Spitzenwert zwischen etwa 440 nm und 470 nm besitzen.

F i g. 6 zeigt die spektrale Verteilung eines besonders günstigen Leuchtstoffes, der bei Erregung durch UV-Strahlung, wie sie von dem Entladungsrohr erzeugt wird, ein Fluoreszenzlicht abgibt, das sich im wesentlichen auf den Bereich des sichtbaren Spektrums kürzerer Wellenlänge beschränkt und einen Emissionsscheitelwert im Bereich zwischen 440 nm und 470 nm hat. Dieser Leuchtstoff besteht aus einer Matrix aus Chlorapatit, Bromapatit oder Chlorbromapatit eines Erdalkalimetalls, wobei das Erdalkalimetall mindestens einer der Stoffe Calcium, Barium oder Strontium ist, und das Halogen mindestens einer der Stoffe Brom oder Chlor ist. und wobei zweiwertiges Europium in einem aktivierenden Anteil vorliegt. Besonders günstig ist ein Leuchtstoff mit aus zweiwertigem Europium aktivierten Strontiumchlorapatit. Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel wird der Leuchtstoff durch Mischung von 0,o Mol SrHPO₄. 0.27 Mol SrCO₁. 0,11 Mol SrCl₂ und 0.02 Mo! FuCj hergestellt. Diesem Rohgemisch werden 0,25 Mol weiteres SrCb zugesetzt, wobei das SrCI₂ beim Brennen oder Sintern als Flußmittel dient. Das Rohgemisch wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre von beispielsweise 90% Stickstoff und 10⁰^; Wasserstoff bei einer Temperatur zwischen 900 Grad Celsius und 1200 Grad Celsius, vorzugsweise 1100 Grad Celsius, etwa 3 Stunden lang gebrannt. Nach Abkühlung wird der Leuchtstoff aufgebrochen und mit destilliertem Wasser ausgelaugt, um restliches lösliches Strontiumchlorid-Flußmittel zu entfernen. Der Leuchtstoff hat einen Emissionsscheitelwert von etwa 446 bis 450 nm, und die von ihm abgegebene Strahlung umfaßt ein schmales Band in dem Bereich kürzerer Wellenlänge des sichtbaren Spektrums. Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele für einen Leuchtstoff sind Calcium-Strontiumchlorapatit und Calciumchlorapatit. jeweils mit zweiwertigem Europium aktiviert. Die Blaustrahlung dieser beiden letztgenannten Leuchtstoffe hat ihren Scheitelwert bei etwa 455 nm.

F i g. 7 zeigt die spektrale Ausbeute von Yttriumphosphatvanadat, das mit dreiwertigem Europium aktiviert ist und seinen Emissionsscheitelwert bei etwa 620 nm hat. Ein solcher Leuchtstoff ist an sich bekannt und wird zur Farbkorrektur des von Quecksilberdampflampen abgegebenen Lichtes verwendet Entsprechend einem Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines solchen Leuchtstoffes werden gleiche Molanteile Yttriumvanadat und Yttriumphosphat mit dem erforderlichen Aktivator gemischt, worauf dieses Gemisch bei einer Temperatur von 1150 Grad Celsius 6 Ui Stunden lang in Luftatmosphäre gebrannt wird. Statt dessen könnte auch mit Europium aktiviertes Yttriumvanadat anstelle des Vanadatphosphats verwendet werden, wobei die spektralen Emissionen dieser beiden Leuchtstoffe im wesentlichen identisch sind.

F i g. 8 zeigt den allgemeinen Farbwiedergabeindex für eine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung farbkorrigierte Quecksilberdampflampe, in

in Abhängigkeit von dem Gewichtsverhältnis des Blau emittierenden zu dem Rot emittierenden Leuchtstoff gemäß den weiter oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen. Beide Leuchtstoffe haben annähernd den gleichen sogenannten »Quanten-Wirkungsgrad«. Entsprechend ist der relative Lichtausgang der kurzwelligen Emission des einen Leuchtstoffes pro Watt zu dem entsprechenden Ausgang der langwelligen Emission des anderen Leuchtstoffes im wesentlichen gleich dem relativen Gewichtsverhältnis dieser Leuchtstoffe. Wie in F i g. 8 dargestellt ist, sollen zur Erlangung eines annehmbaren Farbwiedergabeindexes die Gewichtsverhältnisse (oder die relativen abgegebenen Lichtmengen pro aufgenommener Leistung in Watt) von kurzwellig emittierendem Leuchtstoff zu langwellig

emittierendem Leuchtstoff zwischen 0,05 :1 bis 0,4 : 1 liegen, wobei der optimale Bereich des Farbwiedergabeindf ·'.' einem Gewichtsverhältnis (oder einer relativen abgegebenen Lichtmenge pro aufgenommener Leistung in Watt) zwischen 0,1 :1 bis 03 :1 entspricht.

jo Das bevorzugte Gewichtsverh?ltnis liegt bei 0,2 :1. Insgesamt erhält man als Ergebnis, daß nicht nur die Wiedergabe von beleuchteten Gegenständen mit einer der Farbe des menschlichen Fleisches entsprechender Tönung erheblich verbessert wird, sondern daß auch der

gesamte Farbwiedergabeindex der Lampe eine wesentliche Verbesserung erfährt. Wie aus F i g. 8 ersichtlich, liegt der Farbwiedergabeindex der sogenannten Deluxe-Weiß-Lampe, die nur den sogenannten Vanadatphosphat- oder Vanadatleuchtstoff verwendet, bei etwa 57.

Dieser Wert wird durch den Zusatz der bevorzugten Menge des kurzwellig emittierenden Leuchtstoffes auf etwa 67 angehoben.

Die eingesetzte Leuchtstoffmenge unterliegt erheblichen Schwankungen. Vorzugsweise werden die Leuchtstoffe in dem zuvor als bevorzugt erläuterten Verhältnis gemischt, und dann auf die Innenseite in einer solchen Stärke aufgebracht, daß das Lichtbogenrohr durch die Leuchtstoffschicht gegen eine starke Lichtquelle gerade noch erkennbar ist. Dies erfordert normalerweise 1 bis

so 8 mg Leuchtstoff/cm² beschichtete Fläche und ve,zugsweise etwa 3 mg/cm². Eine alternative Ausführungsmöglichkeit besteht darin, die beiden Leuchtstoffe in Form gesonderter Lagen 28a bzw. 286 aufzubringen, wie das mit dem Teilschnitt der F i g. 9 wiedergegeben ist.

Im Hinblick auf zusätzliche Farbwiedergabeeigenschaften kann der vorstehend erwähnten Mischung aus zwei Leuchtstoffen eine kleine Menge eines oder mehrerer weiterer Leuchtstoffe beigegeben werden, um die Farbwiedergabeeigenschaften unter Umständen noch etwas zu verbessern. So könnte beispielsweise durch das Hinzufügen von 2 Gew.-% mit Zinn aktivierten Strontiummagnesiumphosphats die Strahlungsstärke in den gewünschten Bereichen noch etwas erhöht und der Wirkungsgrad verbessert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochdruck-Quecksilberdampflampe mit einem sowohl sichtbare als auch UV-Strahlen emittierenden Entladungsrohr, das von einem an seiner Innenfläche mit einer im wesentlichen zwei Leuchtstoffe enthaltenden Beschichtung versehenen äußeren Kolben umgeben ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leuchtstoff eine schmalbandige Emission mit einer Emissionspitze im Bereich von 440 bis 470 nm und der zweite Leuchtstoff eine schmalbandige Emission mit einer Emissionsspitze im Bereich von 605 bis 630 nm aufweist und die Strahlungsleistung in Watt des ersten Leuchtstoffes zu der des zweiten Leuchtstoffes zwischen 0,005 :1 und 0,4 :1 liegt.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leuchtstoff eine Emissionsspitze bei etwa 450 nm und der zweite Leuchtstoff eine Emissions>pitze bei etwa 620 nm aufweist

3. Lampe nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leuchtstoff eine Matrix von Chlorapatit, Bromapatit oder Chlorbromapatit eines Erdalkalimetalls ist wobei das Erdalkalimetall von mindestens einem der Stoffe Calcium. Barium oder Strontium gebildet ist während das Halogen mindestens von Chlor oder Brom gebildet ist, ferner zweiwertiges Europium in einem aktivierenden Anteil anwesend ist und der zweite Leuchtstoff eine Matrix aus Yttriumvanadat oder Yttriun.^hosphatvanadat mit einem aktivierenden Anteil an dreiwer'igem E-ropium ist.

4. Lampe nach Anioruch I. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das relativ·- Gewichtsverhältnis des ersten Leuchtstoffes zu dem zweiten Leuchtstoff zwischen 0,1 :1 und 03 :1 liegt.

5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das relative Gewichtsverhältnis des ersten Leuchtstoffes zu dem zweiten Leuchtstoff etwa 02 :1 ist.

6. Lampe nach Anspruch 3. 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des ersten Leuchtstoffes Strontium- oder Caiciumchlorapatit ist.