DE3632431C2 - Metalldampf-Entladungslampe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Metalldampf-Entladungs­ lampen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für die Verwendung bei photochemischen Reaktionen oder für die Aushärtung von Anstrichstoffen, Far­ ben, Tinten, Tuschen od. dgl.

Zum Auslösen photochemischer Reaktionen oder zur Aushärtung von Farben, Tinten od. dgl. werden häufig ultraviolette Strahlen benutzt. Für diese Zwecke sind ultraviolette Strah­ len wirksam, die eine Wellenlänge von ungefähr 280 bis 400 nm haben.

Als Strahlenquellen für diese ultravioletten Strahlen werden in herkömmlicher Weise Hochdruck-Quecksilberdampf-Entla­ dungslampen des Elektrodentyps verwendet, in denen jeweils eine Entladung zwischen den Elektroden der Lampe stattfin­ det. Neuerdings sind außerdem Hochdruck-Quecksilberdampf­ lampen bekannt geworden, die keine Elektroden aufweisen und in denen jeweils Quecksilber und ein Edelgas abgedichtet in Anteilen enthalten sind, die ausreichen, um eine Entladung innerhalb der elektrodenlosen lichtemittierenden Röhre auf­ rechtzuerhalten, wobei die Röhre von außen mit elektromagne­ tischen Wellen, wie z. B. Hochfrequenzwellen von einigen 10 Megahertz oder einer größeren Wellenlänge oder mit Mikrowel­ len bestrahlt wird, um die innerhalb der Röhre abgedichtete Mischung anzuregen und eine Entladung im Bereich des sicht­ baren Lichtes hervorzurufen.

Jede dieser Hochdruck-Quecksilberdampf­ lampen emittiert, unabhängig davon, ob diese mit oder ohne Elektroden arbeiten, ein Linienspektrum, das eine Anzahl von Spitzen­ werten aufweist und sich über einen beträchtlichen Wellen­ längenbereich erstreckt. Es ist daher uneffektiv, derartige Hochdruck-Quecksilberdampflampen für photochemische Reaktio­ nen oder die Aushärtung von Farben, Tinten od. dgl. zu ver­ wenden, die einen begrenzten, oben erläuterten Wellenlängen­ bereich als wirksamen Bereich erfordert. Entsprechend werden häufig Metalldampf-Entladungslampen angewandt, in denen je­ weils ein Metall-Halogenid abgedichtet als lichtemittieren­ des Material innerhalb der lichtemittierenden Röhre verwen­ det wird, um die Lichtmenge innerhalb eines spezifischen, wirksamen Wellenlängenbereichs zu erhöhen. Metalldampf-Ent­ ladungslampen bzw. Halogenmetalldampflampen, in denen Eisen abgedichtet verwendet wird, sind besonders zweckmäßig für solche Anwendungen, wie z. B. für photochemische Reaktionen oder die Aushärtung von Farbaufträgen, da durch sie konti­ nuierlich Licht mit Wellenlängen im Bereich von 350 bis 400 nm emittiert wird.

Wenn eine Halogenmetalldampflampe unter Einschluß von Eisen, das einen solchen Anteil ausmacht, um ein auf Eisen bezoge­ nes Spektrum von ausreichender Intensität zu erzeugen, über viele Stunden betrieben wird, wird das Eisen veranlaßt, sich an der Innenwand der lichtemittierenden Röhre niederzuschla­ gen, so daß ein dünner Film auf dieser Innenwand gebildet wird. Aus diesem Grund nimmt der Anteil an Eisen, der zur Lichtemission beiträgt, ab und gleichzeitig verhindert der auf diese Weise gebildete, dünne Film den Durchgang ultra­ violetter Strahlen, so daß das Problem der Verminderung der Abgabe an UV-Strahlung auftritt.

Im Hinblick auf eine Lösung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, zusätzlich abgedichtet Blei in der Halogenmetall­ dampflampe, in der abgedichtet Eisen eingeschlossen ist, zu verwenden (JP-GBM 15503/1979). Obwohl eine derartige Hinzu­ fügung von Blei die Bildung eines dünnen Eisenfilms verhin­ dern kann und die Abgabe ultravioletter Strahlung, wie beab­ sichtigt, aufrechterhalten kann, wird die Abgabe von licht­ starker Strahlung der Wellenlängen 302 nm, 313 nm und 365 des Quecksilbers durch eine derartige Addition von Blei äu­ ßerst geschwächt. Aus diesem Grund ist es nicht wünschens­ wert, Blei hinzuzufügen, und derartige Halogenmetalldampf­ lampen mit Bleizusatz sind nicht für die obengenannten Zwecke, d. h. für photochemische Reaktionen oder die Härtung von Farbaufträgen, geeignet.

Es ist auch schon bekannt geworden, Zinn als Zusatzmaterial beizufügen. Ähnlich wie dies bereits bei Blei der Fall ist, ist die Zugabe von Zinn von dem Nachteil begleitet, daß das Ausgangs-Linienspektrum des Quecksilbers in einem bedeuten­ den Ausmaß vermindert wird.

Eine Metalldampf-Entladungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 18 01 834 bekannt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metalldampf-Entladungslampe bzw. Halogenmetalldampflampe zu schaffen, bei der die Ablagerung von Eisen an der Innenwand ihrer lichtemittierenden Röhre vermieden ist, ohne daß nach­ teilige Wirkungen auf das Emissionsspektrum des Quecksilbers und Eisens zu verzeichnen sind, so daß die Abgabe von ultra­ violetten Strahlen über viele Stunden unverändert und in wünschenswertem Maße beibehalten werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Der in diesem Zusammenhang benutzte Begriff "Röhre" ist im Rahmen dieser Anmeldung in breitem Sinn zu interpretieren mit der Maßgabe, daß das Ziel der vorliegenden Erfindung er­ reicht wird. Der Begriff "Röhre" kann daher z. B. Rohre, Lam­ penkolben, kugelförmige Gefäße u. dgl. umfassen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Magnesium in einer solchen Menge eingeschlossen, daß ein Magnesium/Eisen-Ver­ hältnis von 1/40 bis 2/3, bezogen auf die Grammatomzahlen, in einer Halogenmetalldampflampe erreicht wird, in der Eisen in einer Menge von zumindest 0,005 mg pro cm Rauminhalt der lichtemittierenden Röhre eingeschlossen ist. Es ist daher möglich, Licht von Quecksilber und Eisen zu erhalten, ohne daß irgendwelche wesentlichen schädlichen Einflüsse auf das Ausgangsemissionsspektrum von Quecksilber und Eisen auftre­ ten, so daß das Licht verwendbar ist wie es ist. Infolge des hinzugefügten Einschlusses von Magnesium wird verhindert, daß sich Eisen auf der Innenfläche der lichtemittierenden Röhre ablagert und ein dünner Film gebildet wird. Die Licht­ emission mit Wellenlängen im Bereich von 280 bis 400 nm wird somit nicht vermindert, und dies sogar dann, wenn die Lampe über viele Stunden brennt. Die Lampe nach dieser Erfindung kann daher als elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe verwendet werden, die als UV-Strahlenquelle für die Induzie­ rung photochemischer Reaktionen oder der Aushärtung von Farbaufträgen, Druckfarben, Tinkturen od. dgl. verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In die­ sen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Metalldampf-Entla­ dungslampe vom Elektrodentyp gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 Kennlinien der Lichtausbeute bzw. Dämpfung der Emission der Entladungslampe nach Fig. 1,

Fig. 3 schematisch im Querschnitt eine Lichtquelleneinheit für photochemische Reaktionen, in der eine elektro­ denlose Metalldampf-Entladungslampe gemäß einem wei­ teren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, und

Fig. 4 Kennlinien der Lichtausbeute bzw. Dämpfung der Emission der Entladungslampe nach Fig. 3.

Innerhalb des oben angegebenen Bereichs kann Magnesium in einer geeigneten Menge innerhalb der Entladungslampe abge­ dichtet eingeschlossen werden. Falls es in einer Menge von weniger als 1/40, bezogen auf die Grammatomzahl, im Verhält­ nis zu Eisen beigegeben wird, kann keine befriedigende Abga­ be ultravioletter Strahlen erhalten werden. Andererseits führen Mengen von mehr als 213 in nachteiliger Weise zu ei­ nem schwächeren bzw. weicheren Emissionsspektrum des Eisens. Wenn der Anteil an eingeschlossenem Eisen geringer als 0,005 mg pro cm³ Innenraumvolumen der lichtemittierenden Röhre ist, wird kein befriedigendes, auf Eisen bezogenes Spektrum erhalten.

Bezugnehmend nunmehr auf die Fig. 1 beträgt die Leistungs­ aufnahme der Metalldampf-Entladungslampe bzw. Halogenmetall­ dampflampe 4 kW. Diese Lampe ist als Lichtquelle für photo­ chemische Reaktionen geeignet. Ein Paar Elektroden 2 ist in gegenüberliegender Anordnung innerhalb der lichtemittieren­ den Röhre 1 angeordnet, die einen Innendurchmesser von 22 mm und ein Innenvolumen von 100 cm³ aufweist und einen ge­ schmolzenen Quarzkolben bildet. Der Elektrodenabstand be­ trägt 250 mm. An beiden Enden der lichtemittierenden Röhre 1 sind abgedichtet Grundkörper 11 vorgesehen. In jedem der ab­ gedichteten Grundkörper 11 ist abgedichtet eine Molybdänfo­ lie 3 eingeschlossen, über die ein äußerer Leiter 4 elek­ trisch mit der zugehörigen Elektrode 2 verbunden ist. Inner­ halb der lichtemittierenden Röhre 1 sind 120 mg metallischen Quecksilbers, 13 mg Quecksilberjodid, 5 mg Eisen (entspricht 0,05 mg pro cm³ Rauminhalt), 0,2 mg Magnesium und Argongas mit einem Druck von 15 mmHg eingeschlossen, wodurch die Metalldampf-Entladungslampe in ihren Komponenten bestimmt ist. Das Verhältnis des Magnesiums zum Eisen beträgt 1/11, bezogen auf die Grammatomzahlen.

Wenn die Metalldampf-Entladungslampe brannte, betrug die Lampenspannung jeweils 12,3 V und 362 V bei einer Leistungs­ aufnahme von 4 kW. Die Lampe wurde 1000 Stunden betrieben. Dabei lagerte sich überhaupt kein Eisen an der Innenwand der lichtemittierenden Röhre 1 ab und somit wurde auch kein Ei­ senfilm innerhalb der Röhre 1 gebildet. Während des Betriebs wurden in Bezug auf die Abgabe von ultravioletten Strahlen mit einer Wellenlänge im Bereich von 280 bis 400 nm gewisse Veränderungen gemessen, die bezüglich der Schwächung der Strahlungsabgabe in Fig. 2 dargestellt sind. Wie durch die Kurve A in Fig. 2 gezeigt, war die Strahlungsabgabe mit 90% sogar noch nach 1000 Stunden außerordentlich hoch.

Zum Vergleich wurde eine Metalldampf-Entladungslampe unter­ sucht, die mit Ausnahme des fehlenden Magnesiums identisch zur oben beschriebenen Lampe gemäß Fig. 1 aufgebaut war und die zu Vergleichszwecken dem gleichen Beleuchtungsversuch unterzogen wurde. In diesem Fall begann nach einigen 10 Stunden die Ablagerung von Eisen an der Innenwand der zuge­ hörigen lichtemittierenden Röhre, so daß sich ein dünner Film bildete. Die Strahlungsabgabe fiel daher nach einer Be­ triebszeit von 1000 Stunden auf 50% ab, wie dies in der Kur­ ve B in Fig. 2 gezeigt ist.

Außerdem wurde der Einfluß der Hinzufügung von Magnesium auf das Ausgangs-Linienspektrum von Quecksilber und das abgege­ bene Eisenspektrum untersucht. Bei der Metalldampf-Entla­ dungslampe nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung fiel die Intensität des Quecksilberspektrums nur um ca. 3% und die Intensität des Eisenspektrums nahm nur um ca. 5% ab. Diese Verringerungen waren also sehr klein. Im Falle, daß anstelle von Magnesium, wie in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, jeweils Blei und Zinn in die abgedichteten Röhren der Metalldampf-Entladungslampen gegeben wurde, nahm die Intensität des Quecksilberspektrums um ca. 35% (bei Bei­ mengen von Blei) und um 28% (bei Zugabe von Zinn) ab. Es wurde außerdem festgestellt, daß die kombinierte Beigabe von Magnesium und Eisen keine wesentlichen Einflüsse auf die Ausgangsspektren des Quecksilbers und des Eisens hat. Außer­ dem hat die zusätzliche Beigabe von Magnesium keine wesent­ lichen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Metalldampf-Entladungslampe, wie z. B. auf die Startspannung, die Wiederzündspannung u. dgl.

Bei der Herstellung einer Metalldampf-Entladungslampe nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde Eisen in Form metallischen Eisens verwendet und das Magnesium wurde in Form metallischen Magnesiums beigefügt. Beide Elemente kön­ nen jedoch auch jeweils in Form eines Eisen-Halogenids und eines Magnesium-Halogenids beigefügt werden. Es ist nicht nötig, besonders darauf hinzuweisen, daß die gleichen Wir­ kungen auch dadurch erzielt werden können, wenn die beiden Elemente als eine Mischung eingebracht werden.

Bezug nehmend nunmehr auf Fig. 3 beträgt die Ausgangslei­ stung eines Magnetrons 22 1,5 kW. Das Magnetron 22 erzeugt Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 2450 MHz. Diese Mikro­ wellen werden durch einen Wellenleitkörper 23 zu einem Re­ flektor 24 geführt. Innerhalb des Reflektors 24 ist die elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe angeordnet, die aus einem kugelförmigen, lichtemittierenden Quarzkolben 21 (SiO₂) besteht. Der lichtemittierende Kolben 21 wird mit Mikrowellen bestrahlt. Die Frequenz der Mikrowellen ist nicht auf die oben erwähnte Frequenz beschränkt, sondern es können irgendwelche höheren Frequenzen von einigen 10 MHz und mehr ebenfalls mit Erfolg angewandt werden.

Der Innendurchmesser des lichtemittierenden Kolbens 21 be­ trägt 22 mm und sein inneres Raumvolumen beträgt ungefähr 5,6 cm³. Abgedichtet eingeschlossen in den lichtemittieren­ den Kolben 21 sind 6 mg metallischen Quecksilbers, 2,6 mg Quecksilberjodid, 1 mg Eisen (entspricht 0,179 mg pro cm³ Rauminhalt des Glaskolbens), 0,04 mg Magnesium und Argongas mit einem Druck von 10 mmHg. Die Menge des zugefügten Magne­ siums beträgt 1/11 zu Eisen, bezogen auf das Verhältnis der Grammatomzahlen.

Wenn die Mikrowellen auf den lichtemittierenden Kolben 21 treffen, wird die innerhalb des Kolbens 21 abgedichtet ein­ geschlossene Mischung zu einer Entladung angeregt und be­ ginnt dadurch zu leuchten. Sogar bei einer Leuchtdauer von bis zu 1000 Stunden wird kein Eisen an der Innenwand des lichtemittierenden Kolbens 21 abgelagert, und es wird die Bildung eines dünnen Eisenfilms vermieden. Während des Be­ triebes der Lampe wurden Veränderungen in Verbindung mit der Abgabe ultravioletter Strahlung von Wellenlängen in dem Be­ reich von 280 bis 400 nm gemessen. Wie in Fig. 4 durch die Kurve C gezeigt, betrug die Strahlungsabgabe sogar nach 1000 Betriebsstunden noch ca. 97% des Anfangswertes.

Zu Vergleichszwecken wurde eine identische, elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe untersucht, die mit Ausnahme des fehlenden Magnesiums identisch zum vorangegangenen Ausfüh­ rungsbeispiel aufgebaut war. In diesem Fall begann sich Eisen an der Innenwand des lichtemittierenden Glaskolbens nach einer Zeit von einigen 10 Stunden abzuscheiden und es wurde ein dünner Eisenfilm gebildet. Die Strahlungsabgabe fiel auf einen Wert von bis zu 30% nach 1000 Betriebsstun­ den, wie dies die Kurve D in Fig. 4 verdeutlicht.

Claims (3)

1. Metalldampf-Entladungslampe mit einer lichtemittierenden Röhre, in der sich zusammen mit Quecksilber und einem Edel­ gas ein Halogen, Eisen in einer Menge von zumindest 0,005 mg pro cm³ Rauminhalt der lichtemittierenden Röhre, sowie ein weiteres Metall abgedichtet befinden, dadurch gekennzeich­ net, daß als weiteres Metall Magnesium in die Röhre (1) ein­ geschlossen ist mit einem Magnesium/Eisen-Verhältnis von 1/40 bis 2/3, bezogen auf die jeweilige Grammatomzahl.

2. Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtemittierende Röhre (1) mit Entla­ dungselektroden (2) zur Erzeugung einer Lichtbogenentladung versehen ist.

3. Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metalldampf-Entladungslampe elektro­ denlos ist.