DE2339181C2

DE2339181C2 - Leuchtstofflampe zur wirksamen Anregung des Pflanzenwuchses

Info

Publication number: DE2339181C2
Application number: DE2339181A
Authority: DE
Inventors: Richard Nutleg N.J. Corth
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1985-11-07
Also published as: CA984439A; DE2339181A1; NL178207B; GB1438858A; BE803126A; US3992646A; NL7310744A; NL178207C; JPS4945581A

Description

300-400 nm= 3%; 400-500 nm = 17%; 500-550 nm= 7%; 550-590 nm = 10%; 590-640nm = 21%; 640-690nm = 21%und 690-800nm

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3. Leuchu.offlampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leuchtstoffsch'cht haurtsächlich mit Zinn aktiviertes Strontium-Calcium-Magnesium-Orthophosphat enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leuchtstoffschicht weiterhin ein hauptsächlich im 400—500 nrn-Bereich emittierender Leuchtstoffbestandteil enthalten ist

4. Leuchtstofflampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Anteil des mit Zinn aktiviertem Strontium-Calcium-Magnesium-Orthophosphat 90—98 Gewichtsprozent beträgt und daß die Leuchtstoff schicht noch 10—2 Gewichtsprozent m'rt zweiwertigem Europium aktiviertes Strontium-Chlorapatit enthält

5. Leuchtstofflampe nach Anspruch 4, wobei der Kolben eine Länge von etwa 1,20 m aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Strontium-Calcium-Magnesium-Orthophosphat etwa 95 Gewichtsprozent und der Anteil an Strontium-Chlorapatit etwa 5 Gewichtsprozent beträgt

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Die Erfindung betrifft eine Leuchtstofflampe zur wirksamen Anregung des Pflanzenwuchses, die einen lichtdurchlässigen Kolben mit einer auf der Innenfläche aufgebrachten Leuchtstoffschicht aufweist, die durch elektrische Entladung innerhalb des Kolbens zur Strahlungsemission angeregt werden kann.

Aus der GB-PS 12 31 633 ist eine derartige Leuchtstofflampe zur wirksamen Anregung des Pflanzenwuchses bereits bekannt, wobei in der Druckschrift in den F i g. 2 bis 4 auch entsprechende Verteilungskurven für die Spektralenergie zwischen 400 und 800 nm angegeben sind.

Allgemein ist es wünschenswert, daß eine derartige Leuchtstofflampe die Pflanze zu einem annähernd ausgeglichenen Wuchs angeregt, so daß nicht beispielswei se verhältnismäßig lange, jedoch dünne Pflanzen entstehen, wie sie durch nicht optimale Energieverhältnisse zwischen dem blauen und dem roten Anteil der Strahlung entstehen, indem diese Strahlungsverhältnisse eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit (allgemein gemessen als Geschwindigkeit der Zunahme des Trockengewichtes der Pflanze) und »Wirkungsgrad« (typischerweise gemessen als der Wert, um den das Trockengewicht je Watt Eingangsleistung zunimmt) entstehen kann. Es wurde festgestellt daß ein ausgeglichener Pflanzenwuchs sich zwar mittels einer Lampe erzielen läßt deren spektrale Verteilung das Sonnnenlicht imitiert, daß eine solche Lampe jedoch recht unwirtschaftlich arbeitet da auch nicht benötigtes Licht geliefert wird, so daß dessen Energie ungenutzt verloren geht Beispielsweise wird Licht im grünen Spektralbereich im wesentlichen reflektiert und nicht absorbiert Eine Leuchtstofflampe zur Anregung des Pflanzenwuchses sollte daher die richtigen Energieverhältnisse in den Teilen des Spektrums liefern, die auf den Pflanzenwuchs einwirken, jedoch möglichst wenig Energie in solchen Bereichen des Spektrums vergeuden, die den Pflanzenwuchs nicht beeinflussen.

Lampensysteme zur wirksamen Anregung des Pflanzenwuchses bestanden ursprünglich aus einer Kombination einer kalt-weißen Leuchtstofflampe mit einer Glühlampe. Diese Zusammenstellung hat sich als recht wirkungsvoll bei der Steigerung des Pflanzenwuchses erwiesen, hat jedoch infolge der Verwendung von Glühlampen beträchtliche Nachteile, insbesondere den, daß Glühlampen eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer besitzen und einen großen Teil ihrer Energie in Form von ungenutzter Strahlung im Infrarotbereich abgeben.

Besser geeignet ist da schon die Anordnung gemäß der US-PS 32 87 586, weil hier nur Leuchtstofflampen benutzt werden. Gemäß dieser Druckschrift sind weite Bereiche von Energieverhältnissen in dem Spektralbereich von rot bis dunkelrot zulässig, in anderen Spektralbereichen werden verhältnismäßig spezielle Verhältnisse angegeben. Verwendet wird mit Blei intensiviertes Calciumwolframat, gemischt mit durch Zinn aktiviertem Strontiumorthophosphat

Es sei ergänzt, daß aus der DE-OS 19 22 416 ein schmalbandiger, im blauen Bereich emittierender Leuchtstoff an sich bekannt ist, der aus mit zweiwertigem Europium aktivierten Strontium-Chlorapatit besteht

Die Leuchtstofflampe der eingangs genannten Art trägt diesem Erfordernis an sich bereits teilweise Rechnung. Zumindest die in der F i g. 2 der Druckschrift dargestellte Spektralverteilung ist insofern günstig, als die Emissionsspitzen bei etwa 410 und 440 sowie bei 550 nm liegen, wobei ein breites Maximum im Bereich von 550 bis 650 nm liegt Diese Spektralverteilung soll der Leuchtstofflampe sogenanntes »weißes« Licht geben, um auf diese Weise das Tageslicht zu imitieren. Während man zunächst angenommen hat, daß derartige Spektralverteilungen für das Pflanzenwachstum besonders günstig sein müsse»,, schildert die genannte britische Patentschrift 12 31 633, daß dieses nicht unbedingt der Fall sein muß. Gemäß dieser Druckschrift ist es günstiger, den hauptsächlichen Energieaustritt in einen Spektralbereich zu legen, der oberhalb von 630 nm liegt und bis 780 nm reicht Dabei wird als besonders bedeutungsvoll das Verhältnis der Energiedichte im Bereich 630 bis 700 nm zu der des Bereiches 700 bis 780 nm hervorgehoben, wobei dieses Verhältnis vorzugsweise 3,4 betragen soll, aber auch zwischen 1 und 6 schwanken

kann. Es zeigt sich somit, daß die in dieser Druckschrift angegebenen Daten für die Spektralverteilung verhältnismäßig große Bereiche umfassen und grob sind und daher offensichtlich noch nicht optimale Verhältnisse beschreiben. Durch die vorliegende Erfindung wurde nun festgestellt, daß eine Leuchtstofflampe dadurch einen noch größeren Wirkungsgrad bezüglich eines ausgeglichenen Pflanzenwuchses erhalten kann, wenn die Strahlungsenergieverhältnisse in bestimmten Bereichen des Spektrums mit einer verhältnismäßig engen ToIeranz eingehalten werden. Hinzu kommt außerdem, daß ermittelt wurde, daß ein verhältnismäßig hoher Anteil an Energie im dunkelroten Spektralbereich emittiert werden sollte.

In der Zeitschrift »Lichttechnik«, 1961, Band 13, Nr. 11, Seiten 556 bis 558, sind sehr allgemein gehaltene Absorptionskurven wiedergegeben, aus denen sich ergibt, daß die maximale Absorption von Pflanzen beim Wert von 650 nm wie auch um 450 nm liegt Es muß dabei allerdings berücksichtigt werden, daß die Unterschiede in der Absorption innerhalb des Bereiches von 400 bis 700 nm nur verhältnismäßig wenig schwanken, nämlich nur zwischen etwa 50 und 100%. Demgegenüber schwankt die spektrale Energieverteilung bei einer gemäß der eingangs genannten britischen Patentschrift aus Fig.4 bekannten Leuchtstofflampe im gleichen Wellenlängenbereich zwischen weniger als 1 und nahezu 10, also um mehr als eine Größenordnung stärken Daraus folgt, daß der in dem Aufsatz wiedergegebene Kurvenverlauf nur geringe Aussagekraft für die Auswahl der Spektralverteilung von Leuchtstofflampen für optimalen Pflanzenwuehs hat Es waren daher viel genauere Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses von Leuchtstofflampenlicht auf das Pflanzenwachstum auszuführen und dann anhand dieser Untersuchungen eine Leuchtstoffzusammensetzung zu finden, die die als optimal festgestellte spektrale Zusammensetzung möglichst genau verwirklicht Wie stark der Einfluß der Spektralverteilung tatsächlich ist, ergibt sich aus der engen Differenzangabe von nur 15% für die im Anspruch 1 ange- «to gebenen Werte, wobei demgegenüber bei der britischen Patentschrift ein Wertebereich von 600% (siehe dazu Seite 2, Zeile 104 und 105, wo die Werte zwischen 1 und 6 schwanken) zugelassen wird. Selbst aus dem Unteranspruch 5 diese«" Druckschrift ergeben sit h noch Wertebereiche mit Schwankungswerten von mehreren 100%, so beispielsweise das Energieverhältnis der Spektralenergie zwischen 630 und 700 nm (3 bis 6 Watt) und dem Spektralbereich von 700 br 780 nm (0,1 bis 2 Watt), während annähernd gleichliegende Bereiche bei der vorliegenden Erfindung zueinander nur um 15% schwanken dürfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leuchtstofflampe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der Wirkungsgrad, gemessen in Zunahme des Trokkengewichts je Watt Eingangsleistung, noch weiter verbessert wird.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Leuchtstoffschicht und die Entladung eine Strahlung mit einer spektralen Energieverteilung abgeben, bei der die Spek- ω tralenergie in den Bereichen 400 bis 500,590 bis 640,640 bis 690 und 690 bis 800 nm mit mindestens 15%iger Genauigkeit ein Verhältnis von 0,8 :1 :1 :1 aufweist.

Durch diese ganz speziellen, eng tolerierten Energieverhältnisse der einzelnen Spektralbereiche läßt sich das Trockengewicht der Ptl jnzen pro Watt Eingangsleistung gegenüber bisher meist verwendeten LeuchtstofflamDen um mehr als 50% verbessern, während die bereits recht günstigen Leuchtstofflampen gemäß der GBPS 12 31 633 (siehe die Zeilen 1 bis 6 der Seite 3 dieser Druckschrift) nur Sieigungsraten von 6 bis 20% ergeben. Die 50%ige Steigerung ergab sich bei Salat, während bei Mais eine 55%ige Steigerung und bei Tomatenpflanzen eine noch über diesem Wert von 55% liegende Steigerung ermittelt wurde. Untersuchungen ergaben, daß mit der erfindungsgemäßen Leuchtstofflampe bestrahlte Tomatenpflanzen 80% mehr reife Früchte trugea

Eine noch größere Steigerung des Wirkungsgrades läßt sich erreichen, wenn die SpektraJverteilung noch enger festgelegt werden, siehe den Anspruch 2, gemäß der die spektrale Energieverteilung derart ist, daß die Spektralenergie in den einzelnen Bereichen mit mindestens 10%iger Genauigkeit die folgende ist:

300 bis 400 nm = 3%;
400 bis 506 nm = 17%;
500 bis 550 nm = 7%:
550 bis 590 mn = 10%;
590bis640nm = 21%;
640 bis 690 nm = 21 % und
690bis800nm

Es sei ergänzt, daß die Energieemissionswerte in den Bändern mit 10% oder weniger der Energieemission etwas weniger kritisch, jedoch immer noch wichtig für den Pflanzenwuehs sind, und daß überschüssige Emissionsenergie in diesen Spektralbereichen eine Vergeudung darstellen und dadurch den Wirkungsgrad der Leuchtstofflampe herabsetzen, wobei anzunehmen ist, daß auch eine Auswirkung auf den ausgeglichenen Pflanzenwuehs sich ergibt

Eine besonders günstige Ausführungsform der Leuchtstofflampe, wobei die Leuchtstoffschicht hauptsächlich mit Zinn aktiviertes Strontiumcaldummagnesiumorthophosphat enthält, ist gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß in der Le«chtstoffschicht weiteren ein hauptsächlich im 400 bis 500 nm-Bereich emittierender Leuchtstoffbestandteil enthalten ist Der Anteil des mit Zinn aktivierten Strontiumcalciuinmagnesiumorthophosphats sollte gemäß Anspruch 4 90 bis 98 Gewichtsprozent betragen, und die !,euchtstoffschicht noch 10 bis 2 Gewichtsprozent mit zweiwertigem Europium aktiviertes Strontium-Chlorapatit enthalten.

Falls es sich um eine Leuchtstofflampe mit einer Kolbenlänge von etwa 1,20 m handelt, sollte der Anteil an Strontiumcalciummagnssiumorthophosphat gemäß der Ausführungsform von Anspruch 5 etwa 95 Gewichtsprozent und der Anteil an Strontium-Chlorapatit etwa 5 Gewichtsprozent betragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 näiier beschrieben.

Die F i g. 1 zeigt eine Leuchtstofflampe zur wirksamen Anregung des Pf'inzenwuchsei, die einen Glaskolben 10,'Elektroden 12, Quecksilber 14, eine Inertgasfüllung 16 und eine Leuehtstöffschicht 18, die hauptsächlich aus mit Zinn aktiviertem Strontiumcaloiummagnesiumorthophosphat bestehen kann, aufweist.

Mit Zinn aktiviertes Strontiumcalciummagnesiumorthophosphat kann he. gestellt werden, indem ein Roh-•jemisch mit etwa 2ß Mol SrO, 1,0 Mol P₂O₅, 0,027 Moi SnO, 03 Mol MgO und 0,300 Mol CaO bei einer Temperatur von etwa 1150⁰C in einer 95% N₂-5% H₂-Atmosphäre etwa zwei Stunden lang gebrannt wird.

Wenngleich das Strontium-Chlorapatit-Material als Wirt-Material für das zweiwertige Europium bevorzugt wird, so können doch andere Wirt-Materialien wie AIuminiumsilicat Verwendung finden. Ebenso können andere Aktivatoren für blauemittierende Leuchtstoffe (beispielsweise mit Terbium aktiviertes Yttriumphosphat) verwendet werden. Ebenso können, wenngleich bevorzugt mit Zinn aktivierte Strontiumcalciummagnesiumorthophosphate verwendet wird, mit Zinn aktivierte Strontiummagnesiumphosphate Verwendung finden, insbesondere, wenn sie durch einen Leuchtstoff ergänzt sind, der allgemein im dunkelroten 690—800 nm-Dereich emittiert, wie mit Eisen aktiviertes Metaaluminat, ebenso wie ein blauemittierender Leuchtstoff, um geeignete Verhältnisse für die spektrale Energieverteilung zu erhalten.

F i g. 2 zeigt die spektrale Energieverteilung für eine 40 Watt-Leuchtstofflampe zur Anregung des Pflanzenwuchses, mit 5 Gewichtsprozent durch zweiwertiges Europium aktivierten Strontium-Chlorapatit und 95 Gewichtsprozent Strontiumcalciummagnesiumorthophosphat Gegenüber einem System, das aus einer kalt-weißen Leuchtstofflampe und aus Glühlampenlicht besteht, und auch gegenüber bisher weitverbreiteten Leuchtstoff-Pflanzenwuchslampen erzeugt die Leuchtstofflampe gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich mehr Trockengewicht pro Watt Eingangsleistung. Beispielsweise ergab die erfindungsgemäße Lampe bei Rettich (»Cherry Belle«) eine Steigerung von 26%, und bei Milos (»Wheatland«) eine Steigerung von 17%. Fcrner erzeugte die erfindungsgemäße Lampe bei »Red Velvet«-Gloxinien 20% mehr Blüten. Ferner hielten die Blüten unter der Lampe auch länger als es bei der Systemen der Fall ist, die mit einer kalt-weißen Leuchtstofflampe in Verbindung mit einer Glühlampe arbeiteten. Diese längere Lebensdauer ergibt sich aus dem Fehlen der starken Infrarotstrahlung, die aus den Glühlampen austritt

Die Lampe nach der bevorzugten Ausführungsform benötigt zwar verhältnismäßig teures Europium, die verwendete Menge ist jedoch sehr klein, da das Europium nur als ein Aktivator verwendet wird, und dies nur in dem Leuchtstoff, der nur etwa 5% Mischung ausmacht Im Ergebnis ist das Gemisch billiger als das Magnesiumfluorgermanat-Gemisch, daß beim Stand der Technik verwendet wird, bei dem eine beträchtliche Menge Germanium benötigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Leuchtstofflampe zur wirksamen Anregung des Pflanzenwuchses, die einen lichtdurchiässigen KoI-ben mit einer auf dessen Innenfläche aufgebrachten Leuchtstoffschicht aufweist, die durch elektrische Entladung innerhalb des Kolbens zur Strahlungsemission angeregt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffschicht und die Entladung eine Strahlung mit einer spektralen Energieverteilung abgeben, bei der die Spektralenergie in den Bereichen 400—500, 590—640, 640—690 und 690—800 nm mit mindestens 15%iger Genauigkeit ein Verhältnis von 0,8 :1 :1 :1 aufweist

2. Leuchtstofflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Energieverteilung derart ist, daß die Spektralenergie in den einzelnen Bereiches mit mindestens 10%iger Genauigkeit die folgende ist: