-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe,
welche ein Entladungsgefäß mit einem
röhrenförmigen Teil
aufweist, der für
Strahlung, die in dem Entladungsgefäß erzeugt wird, durchlässig ist,
wobei
das Entladungsgefäß einen
Entladungsraum enthält,
der gasundurchlässig
mit einer Füllung
aus Quecksilber und einem Edelgas versehen ist,
wobei der röhrenförmige Teil
des Entladungsgefäßes mit
einer Metalloxidschicht und einer lumineszierenden Schicht auf einer,
dem Entladungsraum zugewandten Oberfläche versehen ist, und
wobei
die Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe Entladungsmittel
aufweist, um eine elektrische Entladung in dem Entladungsgefäß aufrechtzuerhalten.
-
Quecksilber
bildet die Hauptkomponente, um (auf effiziente Weise) ultraviolettes
(UV) Licht in Quecksilberdampfentladungslampen zu erzeugen. Auf
einer Innenwand des Entladungsgefäßes ist eine, lumineszierendes
Material (zum Beispiel Fluoreszenzpulver) enthaltende, lumineszierende
Schicht vorhanden, um UV in andere Wellenlängen, zum Beispiel UV-B und
UV-A zu Bräunungszwecken
(Sonnenbänke),
oder in sichtbare Strahlung zu allgemeinen Beleuchtungszwecken umzuwandeln.
Solche Entladungslampen werden daher auch als Fluoreszenzlampen
bezeichnet. Das Entladungsgefäß von Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen
ist gewöhnlich
kreisförmig
und hat eine längliche
und kompakte Ausführungsform.
Im Allgemeinen weist das röhrenförmige Entladungsgefäß eine Sammlung
von relativ kurzen, geraden Teilen eines relativ kleinen Durchmessers
auf, welche mit Hilfe von Brückenteilen
oder über
gebogene Teile miteinander verbunden sind. Kompaktleuchtstofflampen
sind in der Regel mit einem (integrierten) Lampensockel versehen.
Bei solchen Ausführungsbeispielen
der Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe weisen die Entladungsmittel Elektroden
auf, welche in dem Entladungsraum angeordnet sind. Ein alternatives
Ausführungsbeispiel
sieht die elektrodenlosen Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen
vor.
-
Eine
Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe der eingangs beschriebenen
Art ist aus
US 4 544 997 bekannt.
Bei der bekannten Entladungslampe ist der röhren förmige Teil des Entladungsgefäßes mit
einer Schicht aus mindestens einem Oxid aus mindestens einem Element
der Gruppe, der Scandium, Yttrium, Lanthan, Gadolinium, Ytterbium
und Lutetium angehören,
versehen. Die Metalloxidschicht verhindert ein Angreifen der Wand
des röhrenförmigen Teils
des Entladungsgefäßes durch
Wechselwirkung mit Quecksilber und hat somit einen günstigen
Einfluss auf die Aufrechterhaltung der Strahlungsleistung der Lampe.
Die Metalloxidschicht wird durch Aufbringen einer Lösung aus
einer metallorganischen Verbindung auf die, dem Entladungsraum zugewandte
Oberfläche
des Entladungsgefäßes und
durch anschließendes
Trocknen des auf der, dem Entladungsraum zugewandten Oberfläche verbliebenen
Films sowie durch nachfolgendes Sintern erhalten.
-
Durch
die Metalloxidschicht ist der Quecksilberverbrauch der Lampe, d.h.
die Menge Quecksilber, welche während
des Betriebs der Lampe an Lampenteilen angelagert wird und somit
zum Betrieb der Lampe nicht mehr zur Verfügung steht, im Vergleich zu
diesem bei Lampen, die eine solche Metalloxidschicht nicht aufweisen,
relativ gering. Dennoch ist bei der bekannten Lampe eine relativ
hohe Quecksilberdosis erforderlich, um eine ausreichend lange Brenndauer
zu realisieren. Nach Ende der Brenndauer der Lampe ist eine unüberlegte Behandlung
schädlich
für die
Umwelt.
-
Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe
der eingangs beschriebenen Art vorzusehen, welche eine relativ geringe
Menge Quecksilber verbraucht.
-
Gemäß der Erfindung
ist die Entladungslampe daher dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende
Schicht ein Alkalimetalloxid enthält und
der röhrenförmige Teil
des Entladungsgefäßes eine
weitere Metalloxidschicht zwischen der, dem Entladungsraum zugewandten
Oberfläche
und der Metalloxidschicht aufweist,
wobei die weitere Metalloxidschicht
Siliciumoxid enthält.
-
Eine
Anzahl Teile einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe (zum
Beispiel das Entladungsgefäß, die lumineszierenden
Materialien usw.) ist gegenüber
Quecksilber, welches bei Entladung vorhanden ist, nicht unempfindlich.
Solche Teile haben die Tendenz, Quecksilber zu absorbieren. Dieses
bedeutet nicht nur, dass in dem Entladungsgefäß mehr Quecksilber vorhanden
sein sollte, um sicherzustellen, dass die Entladungslampe während ihrer
Brenndauer in Betrieb bleibt, sondern auch, dass die Leistungsfähigkeit
der Entladungslampe während
ihrer Brenndauer allmählich
abnimmt, da viele Hg- Verbindungen
UV- und/oder sichtbares Licht absorbieren. Während der Brenndauer der Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe
absorbiert das ungeschützte
Glas des Entladungsgefäßes mehrere
Milligramm Quecksilber. Durch Aufbringen einer Schicht (zum Beispiel
aus SiO2) auf das Entladungsgefäß wird diese
Absorption um 50% und durch Aufbringen einer geeigneten Metalloxidschicht
(zum Beispiel einer Doppelbeschichtung aus SiO2/Al2O3 oder SiO2/Y2O) auf weniger
als einige hundert μg
reduziert. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Reduzierung
der, zur Entladung in dem Entladungsraum zur Verfügung stehenden
Menge Quecksilber hauptsächlich
durch den Austausch des Alkalimetalls (zum Beispiel Na und/oder
K) und Hg sowie die Quecksilberabsorption durch die, dem Entladungsraum
zugewandte Oberfläche
des Entladungsgefäßes hervorgerufen
wird. Während
des Betriebs der Entladungslampe tritt Quecksilber in die Wand des
Entladungsgefäßes ein,
wobei das Alkalimetalloxid gleichzeitig die Wand des Entladungsgefäßes verlässt. Ein
Quecksilberverbrauch durch die Wand des Entladungsgefäßes hängt mit
Imperfektionen der Metalloxidschicht, die auf der Innenwand des
Entladungsgefäßes vorgesehen
ist, zusammen. Solche Imperfektionen erzeugen bei Bearbeitung der
Entladungslampe eine unerwünschte
Alkalimetalloxiddiffusion (zum Beispiel Diffusion von Na2O und/oder K2O),
und es besteht ebenfalls die Möglichkeit,
dass Quecksilberatome an unbeschichteten Teilen des Entladungsgefäßes haften,
woraufhin in dem Glas eine Quecksilberdiffusion stattfindet. Da
die Diffusion des Alkalimetalloxids im Allgemeinen durch einen Konzentrationsgradienten
zwischen der Wand des Entladungsgefäßes und der lumineszierenden Schicht
gesteuert wird, bewirkt das Vorhandensein von Natriumoxid in der
lumineszierenden Schicht während der
Bearbeitung der Entladungslampe eine wesentlich geringere Diffusion
des Alkalimetalloxids von der Wand des Entladungsgefäßes.
-
Die
weitere Metalloxidschicht wirkt als Alkalimetall abweisende Schicht.
Eine solche Schicht verhindert weiter den Transport von Alkalimetallionen,
wie zum Beispiel Natrium- und Kaliumionen, von der Wand des Entladungsgefäßes zu dem
Entladungsraum. Ein Quecksilberverbrauch durch Bildung von Amalgamen
bei Alkalimetallen wird dadurch weiter verhindert.
-
Siliciumoxid
als weiteres Metalloxid bildet eine sehr gute Barriere für Alkalimetallionen.
Eine solche Schicht kann auf einfache Weise vorgesehen werden. Es
reicht aus, eine Lösung
aus hydrolisiertem Tetraethylorthosilicat (TEOS) auf der, dem Entladungsraum
zugewandten Oberfläche
des Entladungsgefäßes aufzubringen.
Nach Trocknen des so auf der Oberfläche vorgesehenen Siliciumoxids
kann die Metalloxidschicht unmit telbar aufgebracht werden. Eine
Wärmebehandlung
ist von Vorteil, um die Dichte der Schicht zu verbessern. Die Wärmebehandlung
fällt zum
Beispiel mit einer Wärmebehandlung
der Schutzschicht zusammen. Sollte für die Schutzschicht eine separate
Wärmebehandlung überflüssig sein,
kann die Wärmebehandlung, wenn
die Lampe mit einer lumineszierenden Schicht als Suspension von
lumineszierendem Material versehen ist, mit einer Wärmebehandlung
zur Entfernung von Hilfssubstanzen, wie zum Beispiel Bindemitteln
aus der Suspension, zusammenfallen.
-
Durch
entsprechende Wahl der Konzentration von Natriumoxid in der lumineszierenden
Schicht kann die Diffusion des Alkalimetalloxids von der Wand des
Entladungsgefäßes weitgehend
verhindert werden. Zu diesem Zweck ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetalloxid in der
lumineszierenden Schicht Natriumoxid und/oder Kaliumoxid aufweist,
wobei die Alkalimetalloxidkonzentration 0,001 ≤ Na2O ≤ 0,2 Gew.
% und/oder 0,001 ≤ K2O ≤ 0,2
Gew. % beträgt.
Bei Alkalimetalloxidkonzentrationen von weniger als 0,001 Gew. %
erfolgt keine merkliche Reduktion des Konzentrationsgradienten zwischen
der Wand des Entladungsgefäßes und
der lumineszierenden Schicht. Bei Alkalimetalloxidkonzentrationen
von mehr als 0,2 Gew. % wird die Diffusion von Na2O
und/oder K2O von der Wand des Entladungsgefäßes nicht
weiter verhindert.
-
Die
Konzentration des Alkalimetalloxids in der lumineszierenden Schicht
beträgt
vorzugsweise 0,002 ≤ Na2O ≤ 0,1
Gew. % und/oder 0,002 ≤ K2O ≤ 0,1
Gew. %.
-
Ein
attraktives Ausführungsbeispiel
der Lampe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidschicht
auf der, dem Entladungsraum zugewandten Oberfläche des röhrenförmigen Teils mindestens ein
Oxid aus mindestens einem Element der Gruppe, der Magnesium, Aluminium,
Titan, Zirkonium sowie die Seltenerden angehören, aufweist. In dieser Beschreibung
und den Patentansprüchen werden
unter Seltenerden Scandium, Yttrium, Lanthan sowie Lanthanoide verstanden.
Eine solche Schicht ist hoch inert, so dass auch langfristig der
Quecksilberverbrauch auf Grund von Reaktionen des Quecksilbers durch
das Auffüllen
mit der Metalloxidschicht gering ist.
-
Vorteilhafte
Ergebnisse werden mit einem Ausführungsbeispiel
der Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Metalloxidschicht
des röhrenförmigen Teils Aluminiumoxid
und/oder Yttriumoxid enthält.
Eine solche Schicht kann zum Beispiel als eine Suspension von Alumini umoxid/Yttriumoxidteilchen,
indem zum Beispiel die Suspension aufgesprüht oder bewirkt wird, dass diese über die
Innenseite des Entladungsgefäßes fließt, vorgesehen
werden.
-
Das
Entladungsgefäß weist
zum Beispiel eine lumineszierende Schicht auf, welche sich aus,
durch bivalentes Europium aktiviertem, blau lumineszierendem Bariummagnesiumaluminat
(BAM), aus grün
lumineszierendem Cergadolinium-Terbiumpentaborat
(CBT), bei welchem Terbium den Aktivator darstellt, sowie aus, durch
trivalentes Europium aktiviertem, rot lumineszierendem Yttriumoxid
(YOX) zusammensetzt. Alternative, lumineszierende Materialien sind
grün lumineszierendes
Certerbiumaluminat (CAT), welches insbesondere für Kompaktleuchtstofflampen
geeignet ist. Weitere alternative, lumineszierende Materialien sind
blau lumineszierendes Europium-Strontium-Halogenphosphat, zum Beispiel Europium-Strontium-Chlorophosphat
(SECA), sowie grün
lumineszierendes Certerbium-Lanthanphosphat (LAP).
-
Patentanmeldung
DD-A 262 240 beschreibt eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe,
welche mit einer, Alkalimetalloxid enthaltenden, lumineszierenden
Schicht versehen ist.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 – ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe
in einem Längsschnitt;
sowie
-
2 – ein Detail der Entladungslampe
von 1 entlang Linie
II in 1.
-
Die
Figuren sind ausschließlich
schematisch, nicht jedoch maßstabsgetreu
dargestellt. Zum Zwecke einer deutlicheren Darstellung sind einige
Dimensionen stark übertrieben
wiedergegeben. Gleiche Komponenten wurden in der Figur soweit wie
möglich
durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe,
welche ein Glasentladungsgefäß 10 mit
einem röhrenförmigen Teil 11,
welcher für
Strahlung, die in dem Entladungsgefäß 10 erzeugt wird,
durchlässig
ist, sowie einem ersten und einem zweiten Endabschnitt 12a, 12b aufweist.
Der röhrenförmige Teil 11 hat
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Länge
von etwa 120 cm und einen Innendurchmesser von 2,5 cm. Das Entladungsgefäß 10 schließt einen
Entladungsraum 13 ein, der, gasdicht verschlossen, eine
Füllung
von 1 mg Quecksilber und einem Edelgas, in diesem Beispiel Argon,
enthält.
Die Endabschnitte 12a, 12b tragen jeweils eine
Elektrode 20b (die Elektrode auf dem ersten Endabschnitt 12a ist
in 1 nicht dargestellt),
die in dem Entladungsraum 13 angeordnet ist. Die Elektroden 20b bilden
in diesem Ausführungsbeispiel
die Entladungsmittel. Stromversorgungsleiter 30a, 30a', 30b, 30b' der Elektroden 20b erstrecken
sich durch die Endabschnitte 12a, 12b bis über das
Entladungsgefäß 10 hinaus.
Die Stromversorgungsleiter 30a, 30a', 30b, 30b' sind mit Kontaktstiften 31a, 31a', 31b, 31b' verbunden,
welche an einem Lampensockel 32a, 32b befestigt
sind. Ein Elektrodenring 21a ist um jede Elektrode 20b angeordnet
(der Elektrodenring auf dem zweiten Endabschnitt 12b ist
in 1 nicht dargestellt).
-
Auf
dem Elektrodenring 21a ist eine Glaskapsel befestigt, mittels
welcher während
der Herstellung der Entladungslampe Quecksilber dosiert wird. Zu
diesem Zweck wurde ein Metalldraht 23, der auf der Glaskapsel befestigt
wurde, in einem hochfrequenten, elektromagnetischen Feld induktiv
erwärmt,
wobei die Kapsel 22 durchtrennt und das von der Kapsel
zu dosierende Quecksilber in dem Entladungsraum 13 freigesetzt
wurde.
-
Die
Metalloxidschicht 15 (s. auch 2) auf der, dem Entladungsraum zugewandten
Oberfläche 14 des
röhrenförmigen Teils 11 enthält ein Oxid
aus mindestens einem Element der Gruppe, welcher Magnesium, Aluminium,
Titan, Zirkonium sowie die Seltenerden angehören. In diesem Fall ist die
Metalloxidschicht 15 (ebenfalls als Schutzschicht bezeichnet)
durch eine Yttriumoxidschicht mit einem Beschichtungsgewicht von 30 μg/cm2 dargestellt.
-
In
dem Ausführungsbeispiel
von 1 und 2 weist der röhrenförmige Teil 11 des
Entladungsgefäßes 10 zwischen
der, dem Entladungsraum zugewandten Oberfläche 14 und der Yttriumoxidschicht 15 eine
weitere, als Alkalimetall abweisende Schicht wirkende Metalloxidschicht 16 auf.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht die weitere Metalloxidschicht 16 aus Siliciumoxid
und hat ein Beschichtungsgewicht von 12 μg/cm2.
Die Yttriumoxidschicht 15 weist eine lumineszierende Schicht 17 (s.
auch 2) mit einem Beschichtungsgewicht
von 1,8 mg/cm2 auf, welche die lumineszierenden
Materialien BAM, CBT und YOX enthält. Alternative lumineszierende
Materialien sind CAT, SECA und LAP.
-
Gemäß der Erfindung
enthält
die lumineszierende Schicht 17 Natriumoxid. Eine unerwünschte Diffusion
von Alkalimetalloxid von der Wand des Entladungsgefäßes 10,
welche im Allgemeinen durch einen Konzentrationsgradienten zwischen
der Wand des Entladungsgefäßes 10 und
der lumineszierenden Schicht 17 gesteuert wird, wird dadurch
stark reduziert. Natriumoxid in der lumineszierenden Schicht 17 ist
besonders geeignet, wobei die Konzentration des Natriumoxids im
Bereich von 0,002 ≤ Na2O ≤ 0,1
Gew. % liegt.
-
Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe gemäß der Erfindung
wird durch die sogenannten, elektrodenlosen Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen (nicht
dargestellt) gebildet, bei welchen die Entladungsmittel eine Spule
außerhalb
eines, von einem Entladungsgefäß umgebenen
Entladungsraums aufweisen, welche mit einer Wicklung aus einem elektrischen
Leiter versehen ist und an welche während des Betriebs über Stromversorgungsleiter
eine Hochfrequenzspannung angelegt wird.
-
Das
Maß gemäß der Erfindung
resultiert in einer starken Reduzierung der Menge Quecksilber, welche während des
Betriebs auf dem röhrenförmigen Teil 11 des
Entladungsgefäßes 10 angelagert
wird. Dieses hat zur Folge, dass eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe
während
ihrer Brenndauer eine relativ sehr kleine Menge Quecksilber verbraucht.
-
Zur
Durchführung
eines Experiments wurden zwei Gruppen von 10 erfindungsgemäßen Lampen
und eine Gruppe von 10 nicht erfindungsgemäßen Lampen hergestellt. In
allen Fällen
wurde der röhrenförmige Teil 11 des
Entladungsgefäßes 10 mit
einer lumineszierenden Schicht 17 versehen, während eine
Yttriumoxidschicht zwischen der, dem Entladungsraum zugewandten
Oberfläche 14 des
röhrenförmigen Teils 11 und
der lumineszierenden Schicht 17 vorhanden war. Von jeder
Gruppe von zehn Lampen weisen fünf
zwischen der, dem Entladungsraum 13 zugewandten Oberfläche 14 des
röhrenförmigen Teils 11 und
der Yttriumoxidschicht 15 ebenfalls eine Alkalimetall abweisende
Schicht 16 aus Siliciumoxid auf. Die Siliciumoxidschicht 16 und
die Yttriumoxidschicht 15 haben jeweils ein Beschichtungsgewicht
von 12 und 55 μg/cm2. Das Beschichtungsgewicht der lumineszierenden
Schicht 17 beträgt
1,8 mg/cm2. Bei der ersten Gruppe der Lampen
gemäß der Erfindung
enthält
die lumineszierende Schicht 0,08 Gew. % Na2O.
Bei der zweiten Gruppe der Lampen gemäß der Erfindung enthält die lumineszierende
Schicht kein Alkalimetalloxid.
-
Die
Lampen wurden mit einer Füllung
aus 0,4 mg Quecksilber und Argon versehen. Nach 1000 Betriebsstunden
wurde die Gesamtmenge des angelagerten Quecksilbers gemessen. Das
angewandte Messverfahren basiert auf dem Phänomen, dass freies Quecksilber
zu der negativen Elektrode in einer, mit Gleichstrom betriebenen
Lampe wandert. Die Quecksilberwanderung ist durch eine Abnahme der
Intensität
des von der Lampe unweit des Endes mit der positiven Elektrode emittierten
Lichts sichtbar. Bei Ausführen
des Messverfahrens während
des Experiments wird die Polarität
der Gleichspannung dann umgekehrt, wenn sich der Lichtstrom unweit
des Endes mit dem Pluspol auf 60% des Nennwerts verringert hat.
Die Zeit, welche zwischen diesem Zeitpunkt und dem Zeitpunkt, zu
welchem sich der Lichtstrom unweit des gegenüberliegenden Endes auf 60%
des Nennwerts verringert hat, verstreicht, stellt ein Maß der noch
vorhandenen Menge des freien Quecksilbers und folglich des Quecksilberverbrauchs
dar. Das Messverfahren wurde auf Grund von Ergebnissen, die durch
Nassanalyse erhalten wurden, kalibriert.
-
Der
Quecksilberverbrauch (in μg)
in der Zeit bis zu 1000 Stunden ist in Ta belle 1 dargestellt. Die
Tabelle zeigt zwischen Klammern auch den Quecksilberverbrauch in
der Zeit zwischen 1 und 1000 Stunden.
-
-
Aus
den Messungen ist ersichtlich, dass das Maß gemäß der Erfindung in einer signifikanten
Reduzierung des Quecksilberverbrauchs resultiert. Die Reduzierung
variiert von etwa 30% bei Entladungslampen mit einer Yttriumoxidschicht
in Verbindung mit einer Alkalimetall abweisenden Schicht aus Siliciumoxid
auf dem röhrenförmigen Teil
bis etwa 35% bei Entladungslampen mit ausschließlich einer Yttriumoxidschicht
auf dem 20 röhrenförmigen Teil.
-
Es
ist offensichtlich, dass für
Fachkundige viele Variationen in dem Anwendungsbereich der Erfindung vorstellbar
sind. Zum Beispiel können
der erste und zweite Endabschnitt auf einer, dem Entladungsraum
zugewandten Oberfläche
ebenfalls mit einer Metalloxidschicht versehen sein.
-
Der
Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Die
Erfindung bezieht sich auf jedes und jedes neuartige, charakteristische
Merkmal und jede Kombination von charakteristischen Merkmalen. Bezugsziffern
in den Patentansprüchen
schränken
deren Schutzumfang nicht ein. Die Verwendung des Wortes „aufweisen" schließt das Vorhandensein
anderer Elemente als die in den Patentansprüchen erwähnten nicht aus. Die Verwendung
des Wortes „ein" vor einem Element
schließt
das Vorhandensein einer Vielzahl solcher Elemente nicht aus.