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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampen.
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf US-Anmeldung 10/179.365,
Registernr.
US 020218 ,
eingereicht 24. Juni 2002 von Gary Sigai und Snehasish Ghosh, „Low Pressure
Mercury Vapor Fluorescent Lamps",
hiermit gemeinsam abgetreten, deren Offenbarung durch Nennung als
hierin aufgenommen betrachtet wird.
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Niederdruck-Quecksilberdampflampen,
im Allgemeinen eher als Leuchtstofflampen bekannt, weisen einen
Lampenkolben mit einer Füllung
aus Quecksilber und Edelgas auf, um während des Betriebs eine Gasentladung
aufrechtzuerhalten. Die durch die Gasentladung emittierte Strahlung
liegt meist in dem Ultraviolett-(UV) Bereich des Spektrums, wobei
lediglich ein geringer Teil in dem sichtbaren Spektrum liegt. Die
Innenfläche
des Lampenkolbens weist eine lumineszierende Beschichtung, oftmals
eine Leuchtstoffmischung, auf, welche durch Auftreffen der Ultraviolettstrahlung
ein sichtbares Licht emittiert.
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Auf
Grund des verringerten Elektrizitätsverbrauchs nimmt der Einsatz
von Leuchtstofflampen zu. Um den Elektrizitätsverbrauch weiter zu reduzieren,
werden Anstrengungen unternommen, um die Leistungsfähigkeit
von Leuchtstofflampen, als Lichtausbeute bezeichnet, welche ein
Maß des
nutzbaren Lichtstroms in Relation zu der der Lampe zugeführten Energie,
in Lumen je Watt (LPW), darstellt, zu erhöhen.
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Somit
besteht der Wunsch nach leistungsfähigeren Leuchtstofflampen mit
längerer
Lebensdauer. Jedoch wird in die Lampen ein signifikanter Quecksilberüberschuss
eingebracht, um die gewünschte,
lange Lebensdauer der Lampen bis zu 20.000 Stunden oder mehr zu
erreichen. Dieses ist erforderlich, da verschiedene Lampenkomponenten,
wie zum Beispiel der Glaskolben, die Leuchtstoffschicht und die
Elektroden das Quecksilber in der Lampe verbrauchen. Eine solche
erhöhte
Verwendung von Quecksilber ist nicht wünschenswert und ist für das Umfeld
schädlich.
Infolgedessen ist man bestrebt, den Quecksilberverbrauch in Leuchtstofflampen
ohne Verringerung der Lebensdauer der Lampe zu reduzieren.
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Ein
Beispiel einer bewährten
Lampe bei reduziertem Quecksilberverbrauch ist die Alto Econowatt Leuchtstofflampe.
Diese Lampen enthalten Calciumhalophosphat-Leuchtstoff vom Typ ,Kaltweiß' mit großen Teilchen
mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 12 bis 16 Mikrometer
und sind mit weniger Leuchtstoff als andere Lampen versehen, um
die TCLP-Bestimmung in Bezug auf nicht gefährlichen Abfall zu erfüllen. Um
die Nennbrenndauer dieser Lampen weiterhin sicherzustellen, ist
es durchaus erforderlich, dass die Lampen und deren Komponenten
einen geringen Quecksilberverbrauch haben.
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Ebenso
wurde für
Leuchtstofflampen vom Typ ,Tageslicht/Tageslicht de Luxe' ein Calciumhalophosphat-Leuchtstoff
vom Typ ,Halogen-Blau' mit
großen
Teilchen als Teil einer Zweikomponentenmischung mit einem Leuchtstoff
vom Typ ,Standardweiß' oder einem Leuchtstoff
vom Typ ,Warmweiß' als die andere Komponente
verwendet. Diese Lampen sind mit weniger Quecksilber versehen, um
die TCLP-Bestimmung in Bezug auf nicht gefährlichen Abfall zu erfüllen.
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US-A-5
612 590 offenbart ein Gemisch aus Calciumhalophosphat vom Typ ,Warmweiß' mit Calciumhalophosphat
vom Typ ,Halogen-Blau' und
Zinksilicat, aktiviert mit Mangan und Gadolinium-Magnesiumborat.
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US-A-4
644 223 offenbart die Verwendung von Gemischen aus Halophosphaten
in einer Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe.
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EP-A-0
173 994 offenbart Gemische aus Calciumhalophosphat-Leuchtstoffen, welche
Gelb, Warmweiß und
Kaltweiß emittieren.
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Es
besteht ein laufender Bedarf an Leuchtstofflampen mit reduziertem
Quecksilber, welche den TCLP-Standard erfüllen.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, Leuchtstofflampen vom Typ
,Kaltweiß' mit reduziertem Quecksilberverbrauch
vorzusehen.
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Weiterhin
liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, Leuchtstoffmischungen
vorzusehen, welche bei der Herstellung solcher Leuchtstofflampen
vom Typ ,Kaltweiß' mit verringertem
Quecksilberverbrauch von Nutzen sind.
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Die
obigen und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
eine elektrische Lampe vorgesehen wird, welche einen Kolben mit
einer Innenfläche
und mindestens einer Elektrode, vorzugsweise Elektroden, die an
beiden Enden der Kolbenröhre
angeordnet sind, aufweist. Die Lampe kann durch eine gerade Leuchtröhre, zum
Beispiel vom Typ, wie aus dem Ausführungsbeispiel der Erfindung
von 1 ersichtlich, wie z.B. gerade Econowatt Lampen
T12, oder durch eine Lampe, welche einen, in eine gewünschte Form gewickelten
Kolben umfasst, wie z.B. einen Kolben mit mindestens zwei, durch
einen U-förmigen
Teil verbundenen, geraden Schenkelsegmenten, wie in dem in 2 schematisch
gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung oder bei PL-Lampen, Ringlampen, SLS-Lampen usw., dargestellt
sein. In jedem Ausführungsbeispiel übertragen
die Elektroden elektrische Leistung, um in dem Kolben, welcher mit
Quecksilber und einem Gas zur Ladungserhaltung gefüllt ist,
Ultraviolettstrahlung zu erzeugen. Optional kann die Innenfläche des
Kolbens, wie im Falle der Leuchtstofflampen mit geradem Kolben,
mit einer Metalloxidschicht, wie z.B. einer Aluminiumoxidschicht,
vorbeschichtet werden, um Ultraviolettstrahlung in den Kolben zu
reflektieren. Solche Vorbeschichtungen werden bei Lampen mit gewickelten
Kolben gewöhnlich
nicht vorgenommen, obgleich, wie weiter unten erwähnt, eine
flexible Vorbeschichtung bei SLS-Lampen verwendet werden kann.
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Über der
Innenfläche
wird, unabhängig
davon, ob diese vorbeschichtet wurde oder nicht, eine Leuchtstoffschicht
ausgebildet, um die Ultraviolettstrahlung in sichtbares Licht umzuwandeln.
Bei konventionellen Lampen besteht die Leuchtstoffschicht für eine konventionelle,
gerade Econowatt Leuchtstofflampe F34T12 vorzugsweise aus einem
Calciumhalophosphat-Leuchtstoff vom Typ ,Kaltweiß' mit großen Teilchen, welcher aus einer
Beschichtung vorgesehen wird, die Calciumhalophosphat, aktiviert
mit Mangan und Antimon, enthält. Ebenso
enthält
die Leuchtstoffschicht für
eine konventionelle U-förmige
Leuchtstofflampe vom Typ ,Kaltweiß' eine Zweikomponentenleuchtstoffmischung
mit großen
Teilchen aus etwa 50% Calciumhalophosphat vom Typ ,Kaltweiß' mit großen Teilchen,
aktiviert mit Antimon und Mangan, und etwa 50% Feinanteilen von
Calciumhalophosphat vom Typ ,Kaltweiß', aktiviert mit Mangan und Antimon.
Die Feinanteile werden normalerweise verwendet, um, insbesondere
in den gewickelten und gebogenen Bereichen zwischen der Glasschicht
bzw. Beschichtungen auf dieser und der Leuchtstoffschicht, eine
gute Adhäsion
zu erzielen.
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Wir
haben entdeckt, dass die Farbe, welche sich aus der konventionellen
Leuchtstoffmischung mit großen
Teilchen ergibt, durch einen Leuchtstoff erreicht werden kann, welcher
von einer Mischung aus Feinanteilen von Calciumhalophosphat-Leuchtstoff
vom Typ ,Warmweiß', Calciumhalophosphat-Leuchtstoff
vom Typ ,Halogen-Blau' mit
kleinen Teilchen sowie Calciumhalophosphat-Leuchtstoff vom Typ ,Calcium-Gelb' abgeleitet wird.
Weiterhin hat es sich gezeigt, dass durch Verwendung dieser Leuchtstoffmischung
die Möglichkeit
besteht, bei der Herstellung von gewickelten, U-förmigen Lampen eine
gute Adhäsion
zu erzielen, wobei durch Verwendung geringer Quecksilberdosen in
der Leuchtstofflampe diese umweltfreundlich wird.
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In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist eine U-förmige Leuchtstofflampe von
Typ ,Kaltweiß' mit einem Leuchtstoff
vorgesehen, welcher eine Mischung aus
einem Calciumhalophosphat-Leuchtstoff
vom Typ ,Halogen-Blau' mit
einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von etwa 6,6
bis etwa 10 Mikrometer, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
8,60 Mikrometer, in einer Mischung mit etwa 18% des Calciumhalophosphat-Leuchtstoffs
vom Typ ,Halogen-Blau';
einem
Calciumhalophosphat-Leuchtstoff vom Typ ,Calcium-Gelb' mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße im Bereich
von etwa 9,0 bis etwa 13 Mikrometer, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
11,3 Mikrometer, in einer Mischung mit etwa 41% des Calciumhalophosphat-Leuchtstoffs
vom Typ ,Calcium-Gelb';
sowie
Feinanteilen eines Calciumhalophosphat-Leuchtstoffs vom
Typ ,Warmweiß' mit einer willkürlich vorkommenden
Teilchengröße, vorzugsweise
mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 4,62 Mikrometer,
in einer Mischung mit etwa 41 % des Leuchtstoffs vom Typ ,Warmweiß' enthält.
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Leuchtstoffmischungen
dieser Art resultieren in Lampe mit geringem Quecksilberverbrauch.
Solche Lampen sind mit Philips Alto-Lampen mit geringem Quecksilberverbrauch
vergleichbar und ermöglichen
im Vergleich zu handelsüblichen
Lampen (andere Lampen als die Philips Alto-Lampen), welche mit den
Leuchtstoffen mit den großen
Teilchen, bei welchen mehr Quecksilber erforderlich ist, hergestellt
werden, die Verwendung reduzierter Quecksilbermengen.
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Quecksilberverbrauch
wird durch die Menge des Quecksilbers, welches während des Betriebs der Lampe
auf Lampenkomponenten angelagert wird und somit zum Betrieb der
Lampe nicht mehr zur Verfügung steht,
bestimmt. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit,
Leuchtstofflampen, vorzugsweise U-förmige Leuchtstofflampen von
Typ ,Kaltweiß', mit reduzierten
Quecksilbermengen zu versehen, wodurch solche Lampen umweltfreundlich
werden und den TCLP-Standard erfüllen.
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Sich
aus solchen Leuchtstoffen der Erfindung ergebende Lampen weisen
ebenfalls ausgezeichnete Langlebensdauercharakteristiken auf.
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Während die
genauen Gründe
für solche
Beobachtungen nicht mit Sicherheit bekannt sind und wir nicht durch
eine bestimmte Theorie gebunden sein möchten, wird davon ausgegangen,
dass, auf Grund der kleinen Teilchengröße der Feinanteile vom Typ
,Warmweiß' und des Leuchtstoffs
vom Typ ,Halogen-Blau',
der Leuchtstoff der Erfindung eine gute Verdichtung der Körner der
Leuchtstoffschicht auf der Lampe sowie eine gute Abschirmung des
Glases ermöglicht,
wodurch eine verbesserte Barriere vorgesehen wird, die Quecksilberverlust
im Glas reduziert.
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Bei
Lampen der Erfindung ist die Erstdosis von Elementarquecksilber
in einer solchen Menge vorgesehen, dass:
- (A)
nach etwa 2,500 Stunden des Lampenbetriebs eine ausreichende Menge
von Elementarquecksilber vorhanden ist, um eine Säulenentladung
zu unterstützen,
und
- (B) die Lampe den TCLP-Standard erfüllt.
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Dieses
ist ein wirklicher Vorteil, da die Lampen den TCLP-Test durch tatsächliche
Reduzierung der Menge des Quecksilbers in der Lampe bestehen.
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Somit
umfasst die Erfindung in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine elektrische
Lampe, welche aufweist:
einen Lampenkolben mit einer Innenfläche;
Mittel
innerhalb des Lampenkolbens zur Erzeugung von Ultraviolettstrahlung;
sowie
eine Schicht aus einem lumineszierenden Material, welches
einen Leuchtstoff enthält,
der von einem Gemisch aus
- (1) einem Leuchtstoff
vom Typ ,Halogen-Blau' mit
einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von etwa 6,6
bis etwa 10 Mikrometer, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
8,60 Mikrometer, in einer Mischung mit etwa 18% des Leuchtstoffs
vom Typ ,Halogen-Blau';
- (2) einem Leuchtstoff vom Typ ,Calcium-Gelb' mit einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich
von etwa 9,0 bis etwa 13 Mikrometer, vorzugsweise mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
11,3 Mikrometer, in einer Mischung mit etwa 41% des Leuchtstoffs
vom Typ ,Calcium-Gelb';
sowie
- (3) Feinanteilen eines Leuchtstoffs vom Typ ,Warmweiß' einer willkürlich vorkommenden
Teilchengröße, vorzugsweise
mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 4,62 Mikrometer,
in einer Mischung mit etwa 41 % des Leuchtstoffs vom Typ ,Warmweiß'
abgeleitet
wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – eine perspektivische
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Leuchtstofflampe gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche zum Teil im Querschnitt, zum Teil abgetrennt dargestellt
ist;
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2 – einen
Aufriss einer U-förmigen
Leuchtstofflampe gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Die
Figuren sind schematisch, nicht jedoch maßstabsgetreu dargestellt.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Details folgender, spezifischer
Ausführungsbeispiele besser
verstanden:
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1 zeigt
eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe 1 mit
einem länglichen,
geraden Leuchtkörper
bzw. Lampenkolben 3. Der Kolben besteht aus konventionellem
Natronkalkglas. Die Lampe weist an jedem Ende eine Elektrodenbefestigungsstruktur 5 auf,
welche einen gewendelten Wolframfaden 6 aufweist, der auf
leitenden Durchführungen 7 und 9,
welche sich durch eine Glaspressdichtung 11 in einem Fassungsfuß 10 erstreckt,
getragen wird. Der Fassungsfuß besteht
aus konventionellem, bleihaltigem Glas. Der Fassungsfuß 10 verschließt den Kolben
gasdicht. Die Zuleitungen 7, 9 sind mit den stiftförmigen Kontakten 13 ihrer
jeweiligen, an gegenüberliegenden
Enden der Lampe befestigten Sockel 12 verbunden.
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Optional
ist die Innenfläche 15 des äußeren Kolbens 3 mit
einer Quecksilberschutzschicht bzw. Unterschicht 16 versehen.
Die Schicht 16 kann vorgesehen werden, um die durch Reaktionen
mit dem Glas des Kolbens hervorgerufene Quecksilberabreicherungsrate
zu reduzieren. Die Schicht 16 kann aus einem Oxid bestehen,
welches aus der Gruppe, der Magnesium, Aluminium, Titan, Zirconium
und die Seltenerden angehören,
ausgewählt
wird. Der Begriff „Seltenerden", wie hier verwendet,
umfasst die Elemente Scandium, Yttrium, Lanthan sowie die Lanthanoide.
Beide Schichten erstrecken sich über
die volle Länge
des Kolbens, komplett um den Umfang der Kolbeninnenwand. Die Fassungsfüße 10 sind
nicht mit der oben genannten Schicht versehen. Über der Deckschicht 16 ist
eine Leuchtstoffschicht 17 vorgesehen.
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Die
die Entladung aufrechterhaltende Füllung enthält ein Inertgas, wie z.B. Argon,
oder eine Mischung aus Argon und anderen Gasen, bei einem geringen
Druck in Kombination mit einer Quecksilbermenge, um eine Bogenentladung
während
des Lampenbetriebs aufrechtzuerhalten.
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Gemäß einem
spezifischen Ausführungsbeispiel
ist die in der Figur dargestellte Lampe eine ECONOWATT Lampe F34T12.
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2 zeigt
einen schematischen Aufriss einer U-förmigen Lampeneinheit 1A mit
einem länglichen Leuchtkörper bzw.
Kolben 3A, welcher Schenkelsegmente 4 und einen
U-förmigen
Teil 4A aufweist. Es versteht sich von selbst, dass der
Kolben andere gewickelte Ausführungen
und Formen aufweisen und durch gerade Kolben, welche in eine gewünschte Form
gebogen sind, wie z.B. bei PL-Lampen, Leuchtstofflampen in Ringform
sowie SLS-Lampen usw., dargestellt sein kann.
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Der
Kolben besteht aus konventionellem Natronkalkglas. Die Lampe weist
eine Elektrodenbefestigungsstruktur 5A auf, welche in einem
Fassungsfuß 10A aus
einem konventionellen, bleihaltigen Glas endet, der den Kolben gasdicht
verschließt.
Die Lampenzuleitungen (nicht dargestellt) sind mit den stiftförmigen Kontakten 13A ihrer
jeweiligen, an gegenüberliegenden
Enden der Lampe befestigten Sockel verbunden.
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In
dem normalen Herstellungsverfahren weisen solche U-förmigen Lampe
keine Vorbeschichtungen, wie bei 16 angegeben, auf, mit der Ausnahme,
dass bei SLS-Lampen
eine flexible Vorbeschichtung aus Strontium, Yttriumacetat als Schicht 16 verwendet
werden kann.
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Über der
Innenfläche 15 (oder über der
Vorbeschichtung 16, sofern vorhanden) wird eine Leuchtstoffschicht 17A aufgebracht.
Diese erstreckt sich über
die volle Länge
des Kolbens, komplett um den Umfang der Kolbeninnenwand. Die Füße sind
mit keiner Beschichtung versehen.
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Die
die Entladung aufrechterhaltende Füllung enthält ein Inertgas, wie z.B. Argon,
oder eine Mischung aus Argon und anderen Gasen, bei einem geringen
Druck in Kombination mit einer Quecksilbermenge, um eine Bogenentladung
während
des Lampenbetriebs aufrechtzuerhalten.
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Gemäß einem
spezifischen Ausführungsbeispiel
stellt der in der Figur gezeigte Aufriss ein Segment einer Leuchtstofflampe
T12TLU dar, obgleich es sich ebenfalls um eine PL-, ringförmige oder
SLS-Leuchtstofflampe handeln kann.
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BEISPIEL
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- A. Es wurden konventionelle, U-förmige TLU-Leuchtstofflampen
vom Typ ,Kaltweiß' aus einer Leuchtstoffmischung
mit 50% Calciumhalophosphat- Leuchtstoffanteilen
vom Typ ,Kaltweiß' und 50% Calciumhalophosphat-Leuchtstoff
vom Typ ,Kaltweiß' mit großen Teilchen
hergestellt. Bei solchen Lampen sind normalerweise etwa 15-40 mg
Quecksilber erforderlich, um eine akzeptable Lebensdauer zu erreichen.
Es wurden U-förmige
TLU-Lampen mit einer Leuchtstoffmischung der vorliegenden Erfindung
hergestellt, wobei das Verfahren und die Bestandteile, welche mit
denen zur Herstellung der konventionellen Lampen identisch sind,
eingesetzt wurden, mit der Ausnahme, dass der Leuchtstoff so substituiert
wurde, dass er aus der Leuchtstoffmischung der vorliegenden Erfindung
bestand und die Quecksilberdosis angeglichen wurde. Es wurde festgestellt,
dass solche Lampen lediglich etwa 3-5 mg Quecksilber benötigen, um
die gewünschte
Lebensdauer bei einer 34-Watt-Lampe T12TLU zu erreichen, und eine
Lebensdauer von 18.000 bis 20.000 Stunden haben. Solche Lampen sind
somit besser als konventionelle U-förmige
Lampen vom Typ ,Kaltweiß' und stellen eine
vergleichbare Alternative zu Philips-Lampen vom Typ ,Kaltweiß' mit geringem Quecksilberverbrauch
dar.
- B. Es wurde eine Lampe T12TLU gemäß der Erfindung unter Verwendung
von etwa 4,4 mg Quecksilber und einer Leuchtstoffschicht aus einer
Mischung von etwa 18% Calciumhalophosphat-Leuchtstoff vom Typ ,Halogen-Blau' mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
8,6, etwa 41 % Calciumhalophosphat-Leuchtstoff vom Typ ,Calcium-Gelb' mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
11,3 und etwa 41% Feinanteilen von Calciumhalophosphat-Leuchtstoff
vom Typ , Warmweiß' mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von etwa
4,6 gefertigt. Auf Grund historischer Daten in unseren Laboratorien
sollte der maximale Quecksilberverbrauch (angelagertes Quecksilber)
bei 2500 Stunden, um eine Nennbrenndauer von 18.000 Stunden zu erfüllen, 1,24
mg nicht überschreiten.
Es wurde festgestellt, dass die Gesamtmenge von angelagertem Quecksilber
in Lampen, welches von der obigen Leuchtstoffmischung der Erfindung
abgeleitet wird, nach 2500 Betriebsstunden 1,08 mg beträgt.
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Tabelle
I zeigt die Teilchengrößenverteilungsbereiche
von Leuchtstoffen der vorliegenden Erfindung, und Tabelle II zeigt
die in bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung verwendeten, tatsächlichen
Teilchengrößenverteilungsbereiche.
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Darüber hinaus
bestehen die Lampen den TCLP-Test and werden als nicht gefährlich angesehen;
somit können
diese in Mülldeponien
verwendet werden.
