DE69109613T2

DE69109613T2 - Leuchte.

Info

Publication number: DE69109613T2
Application number: DE69109613T
Authority: DE
Inventors: Leonard Giddens; John Graham Holden; John Charles White
Original assignee: Thorn EMI PLC
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: ATE122501T1; EP0481647B1; US5143438A; DE69109613D1; GB9022343D0; JPH04274155A; EP0481647A3; EP0481647A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leuchten, und insbesondere auf Leuchtstofflampen.
Eine Leuchte ist eine Komponente, die von einer Lichtquelle erzeugtes Licht filtert oder transformiert, um Licht zu liefern, das eine gewisse andere form von spektralen Eigenschaften hat. In dem besonderen fall einer Leuchtstofflampe ist die Quelle Leuchtstofflicht, und von dieser wird im allgemeinen weißes Licht geliefert.
Leuchtstofflampen sind in einem weiten Bereich von Formen und Größen verfügbar, und zusätzlich sind sie mit niedriger oder hoher Qualität der Farbwiedergabe verfügbar. Lampen mit Farbwiedergabe hoher Qualität werden in einer weiten Vielfalt von Anwendungen benutzt und sind insbesondere nützlich, wenn die Farbtemperatur des ausgesendeten Lichtes innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten werden muß.
Um die hohe Qualität der Farbwiedergabe zu erreichen, enthalten Leuchtstofflampen unverändert Leuchtstoffe, die seltene Erden enthalten. Die Kosten dieser Leuchtstoffe betragen ein Vielfaches der Kosten von üblicherweise verwendeten "Halophosphat"-Leuchtstoffen, was zu Lampen mit geringerer Qualität der Farbwiedergabe führt. Somit sind die Kosten von Lampen mit hoher Farbqualität viel größer als die von üblichen Lampen, wobei die höheren Kosten nahezu vollständig den hohen Kosten der seltene Erden enthaltenden Leuchtstoffen zuzuordnen sind.
Es wurde bereits früher vorgeschlagen, eine Leuchtstofflampe vorzusehen, bei der das Leuchtstoffmaterial in einem äußeren Kunststoffmantel eingebettet oder gelöst ist, was im US-Patent 4,469,980 beschrieben ist. Bei der im US-Patent 4,469,980 beschriebenen Lampe ist eine zentrale Entladungsröhre vorgesehen, um eine Ultraviolett-Entladung zu erzeugen. Die so erzeugte Ultraviolettstrahlung wird von den Leuchtstoffen absorbiert und als sichtbares Licht wieder ausgestrahlt. Da die Leuchtstoffe in der Lampe der US-PS 4,469,980 durch Ultraviolettstrahlung erregt werden, wird das Kunststoffmaterial, in dem sie gelagert sind, notwendigerweise verhältnismäßig hohen Pegeln von Ultraviolettstrahlung ausgesetzt, von denen bekannt ist, daß sie sowohl Kunststoffmaterial als auch organische Leuchtfarben zersetzen, wenn diese dazu verwendet werden, das sichtbare Licht zu erzeugen. Ein bemerkenswerter Aspekt der in der US-PS 4,469,980 beschriebenen Lampe ist die Erzeugung von Ultraviolettstrahlung einer bestimmten Wellenlänge, um die Photozersetzung des Kunststoffmantels zu vermindern, die auf die Ultraviolett-Entladung zurückzuführen ist. Innerhalb der Entladungsröhre wird ein Pellet aus verdampfbarem Material vorgesehen, das vorzugsweise Kupferhalogenid ist, da dieses Medium einen starken und wirksamen Ausgang in der Nähe von ultravioletten Wellenlängen von 327,4 und 324,7 Nanometer liefert.
Wegen des zur Erzeugung einer Entladung benötigten Dampfdruckes müssen solche Halogenid-Materialien jedoch mit einer hohen Temperatur von üblicherweise 600ºC arbeiten. Ferner setzt sich die Photozersetzung des Kunststoffmantels und der Farbstoffe fort, wenn man betrachtet, daß für annehmbare kommerzielle Anwendungen, z.B. bei Leuchtstofflampen, die Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung größer als etwa 420 Nanometer sein sollte. Ferner schließt die hohe Betriebstemperatur, die zur Erzeugung der Entladung erforderlich ist, die Verwendung des Kunststoffmantels als Hülse um eine übliche Leuchtstoffröhre aus, da dann die Kunststoffröhre zersetzt würde oder schmelzen würde. Wenn tatsächlich eine Photozersetzung des Kunststoffmantels auftritt, kann der Mantel nicht ohne weiteres ersetzt werden, da er ein integrales Teil des Lampenaufbaus bildet.
Der vorliegenden erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Form einer Leuchtstofflampe zu schaffen, die eine hohe Qualität an Farbwiedergabe und eine hohe Wirksamkeit des Lichtausgangs hat.
Demzufolge ist eine Leuchte mit einem Glasgehäuseelement vorgesehen, das Erregungsmittel zur Erregung eines Leuchtstoffmaterials enthält, um eine Strahlung mit einer Wellenlänge zu liefern, die größer als 420 Nanometer ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchte ferner ein weiteres Element umfaßt, das das Glasgehäuse wenigstens teilweise umgibt und aus Kunststoffmaterial besteht, das wenigstens eine Leuchtfarbe zur Lieferung von sichtbarem Licht bei Erregung durch die von dem Leuchtstoffmaterial gelieferte Strahlung enthält.
Vorzugsweise umfaßt die von dem Leuchtstoffmaterial gelieferte Strahlung blaues Licht, und das Kunststoffmaterial enthält drei Leuchtfarben zur Lieferung von rotem, gelbem bzw. grünem Licht.
Vorteilhafterweise besteht das Glasgehäuseelement aus einer Röhre und das weitere Element aus einer von der Röhre getragenen Kunststoffmanschette.
Das weitere Element enthält eine Außenfläche, die eine Vielzahl von konkaven Vertiefungen enthält und eine Innenfläche, die eine Vielzahl von konvexen Vorsprüngen aufweist, die mit den konkaven Vertiefungen in der Außenfläche fluchten.
Das weitere Element hat eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke, und die konkaven Vertiefungen weisen einen Krümmungsradius auf, der wenigstens zehnmal so groß wie die Dicke des weiteren Elements ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert;
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematischer Teilquerschnitt einer fluoreszenten Kunststoffmanschette zur Verwendung in der Lampenquelle von Fig. 1; und
Fig. 3 veranschaulicht ein optisches Modell der Manschette von Fig. 2, das das Austragen von in die Manschette eintretendem Licht zeigt.
Gemäß Fig. 1 besteht eine Leuchte aus einem Glasgehäuse 4, das auf seiner Innenfläche mit einem Leuchtstoffmaterial 6 beschichtet ist. Das Glasgehäuse 4 definiert einen Hohlraum 8, der ein Gas enthält, z.B. Quecksilberdampf (nicht dargestellt), der eine Entladung aufrechterhalten kann, wenn er durch eine Elektrode 10 erregt wird, die an eine geeignete Spannungsquelle angelegt wird. Die Entladung bewirkt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Aussendung von Ultraviolettstrahlung. Das Leuchtstoffmaterial 6 absorbiert die Ultraviolettstrahlung und sendet aus Gründen, die aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden, Strahlung aus, die eine Wellenlänge von mehr als 420 Nanometer hat.
Eine Manschette oder ein weiteres Gehäuseelement 12, das ein Kunststoffmaterial umfaßt, das wenigstens eine Leuchtfarbe enthält, umgibt wenigstens teilweise das Gehäuse 4. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel emittiert das Leuchtstoffmaterial 6 blaues Licht, und die Manschette 12 enthält drei organische Leuchtfarben zum Aussenden von rotem, gelbem bzw. grünem Licht. Die dargestellte Manschette besteht aus einer einzelnen Schicht, aber es sei bemerkt, daß auch ein Laminataufbau verwendet werden kann, wobei jede Schicht des Laminats einen organischen Farbstoff zur Aussendung einer entsprechenden Lichtfarbe hat. Die Farbzusammensetzung der Leuchtfarben, die in der Kunststoffmanschette 12 enthalten sind, hat sich als überlegen gegenüber der von seltene Erden enthaltenden Leuchtstoffen gezeigt. Somit ermöglicht der Ersatz von solchen seltenen Erden-Leuchtstoffen durch die fluoreszierende Kunststoffmanschette 12 eine beträchtliche Verminderung bei den Kosten von Leuchtstofflampen mit hoher Qualität der Farbwiedergabe.
Durch Verwendung eines blaues Licht aussendenden Leuchtstoffes zum "Pumpen" der Leuchtfarben der Kunststoffmanschette 12 wird die Manschette nicht der Ultraviolettstrahlung aus der Lampe 2 ausgesetzt, und somit wird die Photozersetzung sowohl des Kunststoffmaterials als auch der darin einbezogenen Leuchtfarben minimiert. Ferner werden fluoreszierende Kunststoffe, insbesondere solche, die Licht am langen Wellenlängenende des sichtbaren Spektrums aussenden, nicht wirksam durch Ultraviolettlicht erregt, das von Quecksilberdampfentladungen ausgesendet wird, die beispielsweise in dem Gehäuse 4 erzeugt werden. Die Verwendung von blauem Licht, um das fluoreszierende Kunststoffmaterial zu "pumpen", erhöht daher die Wirksamkeit der Lampe. Außerdem wird die fluoreszierende Kunststoffmanschette 12 nicht dem Vakuum innerhalb des Gehäuses 4 ausgesetzt, und daher gibt der fluoreszierende Kunststoff keine chemischen Stoffe über eine längere Zeitperiode ab, die eine Kontaminierung des Inneren der Leuchte verursachen können, was zu einem dramatischen Abfall der Leuchtenwirksamkeit führen kann und schließlich die Leuchte funktionsunfähig machen kann.
Mit fluoreszierenden Kunststoffen wird normalerweise bis zu 80% des von dem fluoreszierenden Kunststoff erzeugten Lichtes darin durch totale interne Reflexion eingefangen, sofern nicht Schritte unternommen werden, um es freizugeben. Das Einfangen des Lichtes kann verhindert werden, indem der fluoreszierende Kunststoff in ein feines Pulver (z.B. wenige mm) gemahlen wird - eine Form, die gleich der ist, die Leuchtstoffpulver haben, die normalerweise in Leuchtstofflampen vorhanden sind, obwohl das Mahlen des fluoreszierenden Kunststoffs aufgrund der duktilen Natur des Materials sehr schwierig ist und wahrscheinlich ein sich verbietendes teures Verfahren sein würde. Statt dessen könnten Streuzentren in dem fluoreszierenden Kunststoff vorgesehen werden. Diese Lösung würde zwar arbeiten, jedoch wäre ihre Wirksamkeit nicht gut, da 50% des Lichtes zurück in die Lampe gestreut würde, wo ein beträchtlicher Anteil absorbiert würde.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Kunststoffmanschette 12 in geeigneter Weise auf ihren Innen- und Außenflächen 14, 16 strukturiert, so daß das gesamte innerhalb des fluoreszierenden Kunststoffs eingefangene Licht in der gewünschten Richtung "entweichen" kann, was in Fig. 2 und 3 ersichtlich ist.
Die Manschette 12 weist auf ihrer Außenfläche 16 eine große Zahl von konkaven Vertiefungen 18 auf, die weitgehend mit konvexen Vorsprüngen 20 ausgerichtet sind, die auf der Innenfläche 14 vorgesehen sind.
Die optische Gestaltung dieser in Fig. 3 dargestellten Konstruktion zeigt, daß das gesamte Licht, das innerhalb des fluoreszierenden Kunststoffs eingeschlossen ist, von den Spitzen der in der Manschette vorgesehenen Merkmale austritt und sich in der gewünschten Richtung ausbreitet (d.h. von der Lichtquelle weg). Nur das Licht, das nicht eingeschlossen ist und ursprünglich in Richtung der Glasröhre ausgesendet wird (etwa 10% des gesamten ausgesendeten Lichtes), wird nicht von der Quelle fort zurückgeleitet.
Die Konstruktion nutzt die lichtleitenden Eigenschaften des fluoreszierenden Kunststoffs aus, um einge&chlossenes Licht zu abrupten Änderungen in der Orientierung der Oberfläche der Manschette 12 zu veranlassen. Eingeschlossenes Licht trifft auf solche Oberflächen unter Winkeln auf, die mit der gesamten inneren Reflexion inkompatibel sind, so daß das Licht von der Manschette entweicht. Es kann bewerkstelligt werden, daß diese Oberflächen alle in einer solchen Weise orientiert sind, daß das Licht von der Lichtquelle fort ausgesendet wird. Sofern der Krümmungsradius (r) jedes Bestandteils verhältnismäßig groß im Vergleich zur Dikke von t der Manschette ist (z.B. r = 10 t), dann sollte eingeschlossenes Licht nicht aus der Manschette "entweichen", bis eine abrupte Änderung in der Oberflächenorientierung stattfindet. Somit werden die 80% des in der fluoreszierenden Kunststoffmanschette erzeugten Lichtes, das darin eingeschlossen ist, in die gewünschte Richtung geleitet. Zusätzlich wird die Hälfte des nicht eingeschlossenen Lichtes (d.h. 10% des erzeugten Lichtes) auch in der erforderlichen Richtung entweichen, was insgesamt 90% ausmacht. Die verbleibenden 10% werden zurück zur Lampe gerichtet, wo sie durch das die Wand der Lampe bildende Glas und den Leuchtstoff reflektiert werden. Ein Anteil davon (etwa die Hälfte, d.h. 5% des erzeugten Lichtes) wird wieder in die Manschette eintreten, wo es auch in der gewünschten Richtung emittiert werden könnte, so daß die Menge des von der Manschette in der gewünschten Richtung austretenden Lichtes etwa 95% des gesamten, in der Manschette erzeugten Lichtes ausmacht.
In Abhängigkeit von der genauen Eigenschaft der erforderlichen Strukturierung könnte die Röhre in einer Vielzahl von Wegen hergestellt werden, einschließlich Extrusion, Pressen oder Vakuumverformung von plattenförmigem Material mit anschließendem Rollen in eine Röhre, oder durch Spritzgießen.
Die rohrförmige Lampe 2 kann durch Erzeugen einer auf Glas beruhenden Leuchtstofflampe genormter Größe (z.B. 1800 mm lang x 26 mm Durchmesser) mit hochqualitativer Farbwiedergabe in der üblichen Weise hergestellt werden, mit der Ausnahme, daß die Mischung aus Blau-, Grün- und Rot-emittierenden Leuchtstoffen, mit denen die Innenseite der Röhre normalerweise beschichtet ist, durch einen einzelnen (billigen) Blau-emittierenden Leuchtstoff (z.B. Sr&sub2;P&sub2;0&sub7;:Sn) ersetzt wird. Eine geeignet bemessene fluoreszierende Kunststoffmanschette, die Grün-, Gelb- und Dunkelrotemittierende Leuchtfarben enthält, wird über der Glasröhre angeordnet, wobei die Manschette eine Oberflächenstruktur hat, wie in Fig. 2 dargestellt.
Wenn die Lampe an eine geeignete elektrische Versorgung angeschlossen wird, wird UV-Licht erzeugt, das die Aussendung von blauem Licht von der Leuchtstoffverkleidung 6 der Röhre 4 stimuliert. Etwas von dem aus der Röhre 4 austretenden blauen Licht verläuft unverändert durch die fluoreszierende Kunststoffmanschette 12, der Rest wird absorbiert und mit den charakteristischen Wellanlängen der verschiedenen Grün-, Gelb- und Dunkelrotemittierenden Leuchtfarben, die in der Manschette enthalten sind, wieder ausgesendet. Blaues, grünes, gelbes und dunkelrotes Licht tritt somit aus der Manschette aus, das kombiniert wird, um weißes Licht abzugeben. Natürlich können andere Emissionsfarben erreicht werden, indem einfach die Zusammensetzung der fluoreszierenden Kunststoffmanschette verändert wird.
Daher nutzt die vorliegende Erfindung die vorhandene Leuchtstofflampentechnologie und die Kostenvorteile von fluoreszierendem Kunststoff aus, indem eine auf Glas basierende Leuchtstofflampenquelle, die einen billigen Blau-emittierenden Leuchtstoff enthält, mit fluoreszierendem Kunststoff ummantelt wird. Die fluoreszierende Kunststoffmanschette wird in geeigneter Weise strukturiert, so daß alles in dem fluoreszierenden Kunststoff eingefangene Licht in der gewünschten Richtung entweicht.
Das obige Konzept überwindet die zuvor erwähnten Probleme auf folgende Weise.
1. Blaues Licht erregt wirksam fluoreszierenden Kunststoff, ohne ihn zu beschädigen. Somit liefert die Verwendung eines Leuchtstoffes, der UV-Licht absorbiert und es als blaues Licht wieder aussendet, eine wirksame Quelle für die Erregung des fluoreszierenden Kunststoffs. Zusätzlich verhindert die Absorption von UV- Licht durch den Leuchtstoff, daß der fluoreszierende Kunststoff beschädigt wird, und sollte irgendwelches UV-Licht nicht von dem Leuchtstoff absorbiert werden, wird es durch das Glas, das die Wände der Lampenhülle bildet, daran gehindert, den fluoreszierenden Kunststoff zu erreichen.
2. Durch Anordnung der fluoreszierenden Manschette außerhalb des evakuierten Bereiches der Lampenhülle verunreinigen keine von dem fluoreszierenden Kunststoff freigegebenen Stoffe das Innere der Lampe.
3. Die Lichtausbeute wird durch geeignete Strukturierung der Manschette anstatt von Streuzentren erreicht. Als Ergebnis wird das gesamte eingefangene Licht herausgezogen und in der gewünschten Richtung emittiert, anstatt von gerade 50%, die man bei Verwendung von Streuzentren erhalten würde.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner die Erzeugung eines Bereiches von Leuchten mit unterschiedlichen Farbtemperaturen und Farbtönen, aber auf der Basis derselben (d.h. Blauemittierenden) Grundquelle durch einfache Änderung der Zusammensetzung der fluoreszierenden Kunststoffmanschette. Dies bietet die Gelegenheit, die Lagerhaltung zu vereinfachen und aus der Einsparung von Ausführungsformen Nutzen zu ziehen, da nur ein Typ einer auf Glas beruhenden Röhre hergestellt und gelagert zu werden braucht.
Zusätzlich bietet die Verwendung von fluoreszierenden Kunststoffmamschetten einen alternativen Herstellungsweg für solche Lampen, deren Herstellung durch Gesetzgebung beeinträchtigt worden ist, die die Verwendung bestimmter Lampenkomponenten verbietet. Beispielsweise enthalten Rot-emittierende Leuchten allgemein ein Kadmium enthaltendes Filter an der Außenseite der Glashülle, um die unerwünschten blauen und grünen Emissionen von der Quecksilberdampfentladung zu absorbieren. Die Verwendung von Kadmium ist nun begrenzt worden, so daß ein alternativer Herstellungsweg gefunden werden mußte, wie z.B. die Verwendung einer Rot-emittierenden fluoreszierenden Kunststoffmanschette.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindun&sub9; mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben worden ist, sollte erkannt werden, daß Abwandlungen im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche vorgesehen werden können. Beispielsweise kann die Manschette einen geschichteten Aufbau aufweisen und muß nicht notwendigerweise das Gehäuse 4 umgeben. Die Manschette kann daher aus einer Anzahl von Segmenten bestehen, von denen jedes einen entsprechenden Farbstoff enthält, um die gleichzeitige Erzeugung verschiedener Farben durch die von der Leuchtstoffschicht ausgesendete Strahlung zu ermöglichen. Ferner kann die Leuchtstoffschicht so ausgebildet werden, daß sie andere Farben erzeugt, wie sichtbare olette Strahlung in dem gewünschten Wellenlängenbereich.

Claims

1. Leuchte mit einem Glasgehäuseelement (4), das Erregungsmittel (10) zur Erregung eines Leuchtstoffmaterials (6) enthält, um eine Strahlung mit einer Wellenlänge zu liefern, die größer als 420 Nanometer ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchte ferner ein weiteres Element (12) umfaßt, das das Glasgehäuse wenigstens teilweise umgibt und aus Kunststoffmaterial besteht, das wenigstens eine Leuchtfarbe zur Lieferung von sichtbarem Licht bei Erregung durch die von dem Leuchtstoffmaterial gelieferte Strahlung enthält.

2. Leuchte nach Anspruch 1, bei der die von dem Leuchtstoffmaterial (6) gelieferte Strahlung blaues Licht umfaßt und das Kunststoffmaterial (12) drei Leuchtfarben zur Lieferung von rotem, gelbem bzw. grünem Licht enthält.

3. Leuchte nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Glasgehäuseelement (4) aus einer Röhre besteht und das weitere Element (12) aus einer von der Röhre getragenen Kunststoffmanschette besteht.

4. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erregungsmittel eine Gasentladung sind.

5. Leuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das weitere Element (12) eine Außenfläche, die eine Vielzahl von konkaven Vertiefungen (16) und eine Innenfläche, die eine Vielzahl von konvexen Vorsprüngen (20) hat, aufweist, die mit den konkaven Vertiefungen (16) in der Außenfläche fluchten.

6. Leuchte nach Anspruch 5, bei der das weitere Element (12) eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke hat und die konkaven Vertiefungen (16) einen Krümmungsradius aufweisen, der wenigstens zehnmal so groß wie die Dicke des weiteren Elements ist.