DE69701439T2 - Glaszusammensetzung zur verwendung in einer fluoreszierenden lampe, lampenhülle hergestellt aus dieser glaszusammensetzung und fluoreszierende lampe mit einer lampenhülle aus dieser glaszusammensetzung - Google Patents

Glaszusammensetzung zur verwendung in einer fluoreszierenden lampe, lampenhülle hergestellt aus dieser glaszusammensetzung und fluoreszierende lampe mit einer lampenhülle aus dieser glaszusammensetzung

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Glaszusammensetzung zur Verwendung in Komponenten einer Lampenumhüllung, wobei die Zusammensetzung Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Bariumoxid und zumindest zwei Alkalimetalloxide umfasst.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Leuchtstofflampe mit einer hermetisch abgedichteten Lampenumhüllung aus Glas, die aus einer derartigen Glaszusammensetzung hergestellt ist.
  • Die Lampenumhüllung von Leuchtstofflampen wird im Allgemeinen aus einem preiswerten Glas vom Natronkalktyp hergestellt. Die Lampenumhüllung kann die Form eines Kolbens oder einer Röhre haben. Eine röhrenförmige Lampenumhüllung kann langgestreckt oder beispielsweise U-förmig oder spiralförmig gebogen sein. Die Lampenumhüllung kann auch eine Anzahl paralleler, gerader Röhren umfassen, die miteinander über eine sogenannte Brücke verbunden sind. Die Lampenumhüllung enthält auch zwei sogenannte Glasfüße, die die Durchführung der Stromzuführleiter ermöglichen. Das Vorhandensein von Natrium in dem Glas hat einen günstigen Effekt auf das Formen und die Verarbeitung des Glases, da es die Viskosität des Glases verringert, aber es führt auch zu einer Anzahl Nachteilen der Lampe.
  • Einer der Nachteile ist, dass durch das Vorhandensein von Natrium im Glas der Lichtstromfaktor der Leuchtstofflampe nachteilig beeinflusst wird. Unter dem Begriff Lichtstromfaktor ist in diesem Zusammenhang das Maß der Abnahme des in Lumen ausgedrückten Lichtstroms der Lampe während des Betriebs zu verstehen. Im Idealfall ist der Lichtstrom der Lampe nach beispielsweise 5000 Brennstunden gleich dem Lichtstrom bei 0 Brennstunden. Angenommen wird, dass die genannte Abnahme auf die Tatsache zurückgeführt werden kann, dass die Phosphore (Leuchstoffpulver) durch in dem Glas vorhandenes Natrium vergiftet werden.
  • In dem Glas vorhandenes Natrium reagiert zudem mit dem Quecksilberdampf, mit dem die Lampenumhüllung gefüllt ist, unter Bildung eines Amalgams. Dieser Effekt geht mit einem Verbrauch von Quecksilber durch die Lampenumhüllung einher. Zudem ist dieser Effekt sichtbar, weil er Schwärzung oder Grauwerden der Lampenum hüllung bewirkt, so dass die Lichtdurchlässigkeit der genannten Lampenumhüllung nachteilig beeinflusst wird. Um dieser nachteiligen Wechselwirkung mit Natrium in dem Glas entgegenzuwirken, kann die Innenfläche der Lampenumhüllung mit einer Schutzbeschichtung aus beispielsweise Y&sub2;O&sub3; versehen werden; dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Prozessschritt. Zudem verschwindet die Beschichtung beim Verschmelzen am Ort der Brücke und am Ort der Füße. Daher ist es wünschenswert, Glas mit geringem Natriumgehalt für die Lampenumhüllungen von Leuchtstofflampen zu verwenden.
  • In der US-Patentschrift US 4.666.871 wird ein Glas mit geringem Natriumgehalt zur Verwendung in einer Leuchtstofflampe beschrieben. Das bekannte Glas kann 0-2 Mol-% (0-1,3 Gew.-%) Na&sub2;O enthalten. Dieses bekannte Glas hat jedoch eine Anzahl Mängel.
  • Gemäß den Beispielen umfasst das bekannte Glas große Mengen (ungefähr 30 Gew.-%) BaO, das ein kostspieliger Rohstoff ist. Zudem führt diese Komponente zu einer Erhöhung der Liquidustemperatur (Tliq) und damit zu einer erheblichen Zunahme der Kristallisationsneigung des Glases.
  • Ein anderer wichtiger Nachteil des bekannten Glases ist, dass es schwierig ist, aus diesem Glas Röhrenglas und Lampenumhüllungen zu fertigen, weil es einen schmalen Arbeitsbereich (W. R.: working range) und die genannte hohe Tliq hat. Unter W. R. ist die Differenz zwischen der Arbeitstemperatur (Twork) und der Erweichungstemperatur (Tsoft) des Glases zu verstehen. Zur Fertigung von Röhrenglas und Lampenumhüllungen ist ein breiter W. R. von zumindest 300ºC wünschenswert. Der W. R. des bekannten Glases ist viel schmaler, was im Weiteren erläutert werden soll.
  • Das bekannte Glas kann bis zu 5 Mol-% PbO umfassen. Ein Nachteil der Verwendung von PbO ist seine Toxizität. Beim Präparieren von Bleiglas wird durch Zerstäuben und Verdampfen PbO an die Atmosphäre abgegeben, was schädlich für die Umwelt und die damit arbeitenden Personen ist. PbO wird auch frei, wenn Bleiglas einem Warmverarbeitungsvorgang, wie Biegen, Formen und Verschmelzen unterzogen wird. Andere Nachteile von PbO sind der hohe Preis des Rohstoffes und die Abnahme des Lichtstroms von Leuchtstofflampen, die durch Verdampfung bewirkt wird, und schließlich die Kondensation von PbO auf dem Leuchtstoffpulver während der Warmverarbeitung des bleihaltigen Röhrenglases.
  • Der Erfindung liegt unter anderem als Aufgabe zugrunde, eine Glaszusammensetzung zu verschaffen, die in einer Lampenumhüllung verwendet werden kann, wobei die Glaszusammensetzung natriumfrei ist oder einen sehr niedrigen Natriumgehalt hat und die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Es muss möglich sein, das Glas in vorhandenen Öfen zu schmelzen, und das Glas muss leicht verarbeitbar sein, um unter anderem das Röhrenglas und anschließend Lampenumhüllungen zu formen. Das Glas muss auch frei von PbO und anderen flüchtigen, toxischen oder korrosiven Komponenten sein, wie z. B. Sb&sub2;O&sub3;, As&sub2;O&sub3; und F. Im Unterschied zum bekannten Glas ist das erfindungsgemäße Glas vorzugsweise frei von B&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2;. B&sub2;O&sub3; hat Nachteile, weil es teuer und gegenüber dem feuerfesten Material des Glasofens aggressiv ist. ZrO&sub2; beeinflusst die Schmelzbarkeit des Glases nachteilig. Die physikalischen Eigenschaften sollten mit denen der üblicherweise verwendeten, natriumhaltigen Gläser übereinstimmen.
  • Die Erfindung hat auch zur Aufgabe, eine Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe mit einer Lampenumhüllung, insbesondere einer röhrenförmigen Lampenumhüllung zu verschaffen, die aus einer solchen Glaszusammensetzung hergestellt ist, wobei die Lampe einen Lichtstrom hat, der beim Betrieb der Lampe einen guten Lichtstromfaktor hat, d. h. der Lichtstrom nimmt mit der Zeit wenig ab.
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Glaszusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, die folgenden wichtigen Bestandteile umfasst:
  • SiO&sub2; 55-70
  • Al&sub2;O&sub3; 2-6
  • Li&sub2;O 0,5-4
  • Na&sub2;O < 0,1
  • K&sub2;O 10-15
  • MgO 0-3
  • CaO 0-4
  • SrO 4-7
  • BaO 7-10
  • CeO&sub2; 0-0,5
  • Das genannte Glas hat einen geringen Natriumgehalt und günstige Schmelz- und Verarbeitungseigenschaften, die im Weiteren beschrieben werden sollen. Die Glaszusammensetzung ist sehr geeignet zum Ziehen von Röhrenglas und für eine Verwendung als Lampenumhüllung in einer Leuchtstofflampe, insbesondere einer röhrenförmigen Lam penumhüllung für eine Kompakt-Leuchtstofflampe (CFL), in der die Wandbelastung wegen des kleineren Durchmessers der Lampenumhüllung höher ist als in einer "TL"-Lampe (normale langgestreckte röhrenförmige Leuchtstofflampe). Das Glas kann auch zur Herstellung von kolbenförmigen Lampenumhüllungen für Leuchtstofflampen, z. B. als QL- Lampen, geeignet verwendet werden. Das Glas ist auch zur Herstellung anderer Teile der Lampenumhüllung, wie z. B. Füßen geeignet. Das Nichtvorhandensein, oder beinahe Nichtvorhandensein, von Na&sub2;O im Glas der Lampenumhüllung führt zu einem geringeren Quecksilberverbrauch der Lampe. Daher kann die der Leuchtstofflampe hinzugefügte Menge Quecksilber kleiner sein als die in Lampen mit den üblichen natriumhaltigen Lampenumhüllungen; dies hat eine wesentliche, vorteilhafte Auswirkung auf die Umwelt.
  • Diese Glaszusammensetzung umfasst keine der obengenannten schädlichen Komponenten PbO, F, As&sub2;O&sub3; und Sb&sub2;O&sub3;. Der Gehalt an teurem BaO ist relativ gering.
  • Der SiO&sub2;-Gehalt des erfindungsgemäßen Glases ist auf 55-70 Gew.-% begrenzt. In Kombination mit den anderen Bestandteilen führt der genannte SiO&sub2;-Gehalt zu einem leicht schmelzbaren Glas. SiO&sub2; dient als Netwerkbildner. Wenn der SiO&sub2;-Gehalt unter 55 Gew.-%, liegt, sind die Kohäsion des Glases und die chemische Widerstandsfähigkeit verringert. Ein SiO&sub2;-Gehalt oberhalb 70 Gew.-% behindert den Glasbildungsvorgang, bewirkt, dass die Viskosität zu hoch wird und erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Oberflächenkristallisation.
  • Al&sub2;O&sub3; verbessert die chemische Widerstandsfähigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Verwitterung des Glases. Unterhalb 2 Gew.-% ist der Effekt zu klein und die Kristallisationsneigung des Glases nimmt zu. Oberhalb 6 Gew.-% nehmen die Viskosität und die Erweichungstemperatur (Tsoft) des Glases übermäßig zu, was die Verarbeitbarkeit des Glases nachteilig beeinflusst.
  • Die Alkalimetalloxide Li&sub2;O und K&sub2;O werden als Flußmittel verwendet und führen zu einer Abnahme der Viskosität des Glases. Wenn beide Alkalimetalloxide in der obigen Zusammensetzung verwendet werden, bewirkt der Mischalkalieffekt eine Zunahme des elektrischen Widerstandes und eine Abnahme von Tliq. Zudem bestimmen überwiegend die Alkalimetalloxide den Ausdehnungskoeffizienten &alpha; des Glases. Dies ist wichtig, weil es möglich sein muss, das Glas in solcher Weise an das Fußglas und/oder die Stromzufuhrleiter aus beispielsweise verkupfertem Eisen/Nickeldraht zu schmelzen, dass das Glas spannungsfrei ist. Wenn der Alkalimetalloxidgehalt unter den angegebenen Grenzen liegt, hat das Glas einen zu niedrigen &alpha;-Wert und Tsoft wird zu hoch. Oberhalb der angegebenen Grenzen wird der &alpha;-Wert zu hoch sein. Li&sub2;O bewirkt eine größere Abnahme von Tsoft als K&sub2;O, was wünschenswert ist, um einen breiten W. R. (= Twork-Tsoft) zu erreichen. Ein zu hoher Li&sub2;O-Gehalt führt zu einer übermäßigen Zunahme von Tliq. Zudem ist Li&sub2;O eine teure Komponente, so dass auch aus wirtschaftlichen Gründen der Li&sub2;O-Gehalt begrenzt wird.
  • Die Glaszusammensetzung umfasst maximal 0,1 Gew.-% Na&sub2;O. Ein höherer Na&sub2;O-Gehalt führt zu einer Abnahme des Lichtstromfaktors der Leuchtstofflampe und einer Zunahme der Quecksilberabsorption.
  • BaO hat die günstige Eigenschaft, dass es den elektrischen Widerstand des Glases erhöht und Tsoft erniedrigt. Unterhalb von 7 Gew.-% nehmen die Schmelztemperatur (Tmelt), Tsoft und die Arbeitstemperatur (Twork) zu stark zu. Oberhalb von 10 Gew.-% nimmt die Liquidustemperatur (Tliq) und damit die Kristallisationsneigung zu stark zu.
  • Die Erdalkalimetalloxide SrO, MgO und CaO haben die günstige Eigenschaft, dass sie zu einer Verringerung von Tmelt führen. Durch Kombination der drei Erdalkalimetalle mit BaO wird ein minimaler Wert von Tliq erhalten. Unterhalb von 4 Gew.-% SrO steigt Tliq übermäßig an. Oberhalb der angegebenen Grenzen steigen Tsoft und Tliq übermäßig an.
  • Das erfindungsgemäße Glas hat eine günstige Tliq (ungefähr 920ºC) und neigt daher bei der Herstellung des Glases und beim Ziehen von Röhrenglas aus diesem Glas kaum zur Kristallisation. Wegen eines breiten W. R. von zumindest 300ºC und einer niedrigen Tsoft (< 700ºC) kann das Glas beispielsweise mit dem Danner-Prozess problemlos zu einer Röhre geformt werden.
  • Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung kann mit BaSO&sub4; geläutert werden, so dass das Glas bis zu 0,2 Gew.-% SO&sub3; enthalten kann. Das Glas kann zudem eine Verunreinigung in Form von maximal 0,05 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3; enthalten, die aus den verwendeten Rohstoffen stammt.
  • Falls notwendig, werden dem Glas bis zu 0,5 Gew.-% CeO&sub2; hinzugefügt, um unerwünschte UV-Strahlung zu absorbieren.
  • Es sei bemerkt, dass in der US-Patentschrift US-5.470.805 eine Beschreibung einer Glaszusammensetzung für eine Lampenumhüllung einer Leuchtstofflampe gegeben wird, welche Glaszusammensetzung jedoch 5-9 Gew.-% Na&sub2;O umfasst. Um einen ausreichenden Lichtstromfaktor der Lampe und eine unterdrückte Quecksilberabsorption zu erhalten, muss die Innenfläche der Lampenumhüllung mit einer Schutzbeschichtung aus beispielsweise Y&sub2;O&sub3; versehen sein. Bei einer erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung kann eine Beschichtung und damit ein zusätzlicher Prozessschritt entfallen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Leuchtstofflampe, und
  • Fig. 2 eine Ansicht einer Kompakt-Leuchtstofflampe.
  • Eine erfindungsgemäße Glaszusammensetzung, die in der folgenden Tabelle in der zweiten Spalte angegeben wird, wird geschmolzen. Der Schmelzvorgang wird in einem Platintigel in einem mit Gas geheizten Ofen bei 1450ºC ausgeführt. Als Ausgangsmaterialien sind Quarzsand, Spodumen (Li&sub2;O·Al&sub2;O&sub3;·4SiO&sub2;), Dolomit (CaCO&sub3;·MgCO&sub3;) und die Carbonate von Li, K, Sr und Ba verwendet worden. Als Läuterungsmittel wurde BaSO&sub4; verwendet. Beim Schmelzen und der weiteren Verarbeitung treten keine besonderen Probleme auf. Zum Vergleich zeigt die Tabelle ein Beispiel für ein Glas mit einem geringen Natriumgehalt gemäß der US-Patentschrift US-4.666.871. TABELLE
  • Die Symbole in dieser Tabelle haben die folgende Bedeutung:
  • &alpha;&sub2;&sub5;&submin;&sub3;&sub0;&sub0;: mittlerer Ausdehnungskoeffizient zwischen 25ºC und 300ºC.
  • Tstrain (ºC): Temperatur, bei der &eta; (Viskosität) = 1014.5 dPa·s, oberer Kühlpunkt genannt.
  • Tann (ºC): Temperatur, bei der &eta; = 1013.0 dpa·s, unterer Kühlpunkt genannt.
  • Tsoft (ºC): Temperatur, bei der &eta; = 107.6 dPa·s, Erweichungspunkt genannt.
  • Twork (ºC): Temperatur, bei der &eta; = 104.0 dPa·s, Arbeitstemperatur.
  • Tmelt (ºC): Temperatur, bei der &eta; = 102.0 dPa·s, Schmelzpunkt genannt.
  • rho (Ohm·cm): spezifischer Widerstand.
  • Tk100 (ºC): Temperatur, bei der Rho = 10&sup8; Ohm·cm.
  • Trho (ºC): Temperatur, bei Basis Rho = 106.52 Ohm·cm.
  • log(rho)&sub2;&sub5;&sub0;: Logarithmus zur Basis 10 von Rho bei 250ºC.
  • log(rho)&sub3;&sub5;&sub0;: Logarithmus zur Basis 10 von Rho bei 350ºC.
  • Tliq (ºC): Temperatur, oberhalb der das Glas nicht kristallisiert.
  • s. m. (kg/dm³): spezifische Masse.
  • W. R. (ºC): Arbeitsbereich = Twork - Tsoft
  • Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung hat einen geringen Natriumgehalt, eine niedrige Tliq und einen breiten W. R. Wegen der genannten niedrigen Tliq kann das Glas zu Röhren gezogen werden, die kristallfrei sind. Der breite W. R. und die niedrige Tsoft haben eine günstige Wirkung auf den Formungsprozess, beispielsweise den Danner- Prozess.
  • Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Leuchtstofflampe mit einer röhrenförmigen Lampenumhüllung 10, die im Schnitt kreisförmig ist und aus einem Glas mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt ist. Stromzuführdrähte 12, die mit Glühwendeln 13 verbunden sind, sind durch die Wandung der Lampenumhüllung 10 hindurch angebracht. Eine Schicht aus einem Leuchstoffpulver (Phosphore) 14 ist auf der Innenseite der Lampenumhüllung 10 angebracht. In der Lampenumhüllung 10 befindet sich metallisches Quecksilber 15, das nach Zündung der Lampe verdampft. Bevor eine solche Lampe abgeschmolzen wird, wird sie mit Argon mit einem Druck von 730 Pa gefüllt.
  • Der Lichtstrom der Lampe (in Lumen) nach 1000 Brennstunden hat nur um 2% abgenommen relativ zu dem Lichtstrom zu Beginn der Betriebsdauer (0 Stunden). Nach 5000 Brennstunden hat der Lichtstrom um 10% abgenommen. Daher ist der Lichtstromfaktor der Lampe ähnlich dem einer Lampe mit einer Y&sub2;O&sub3;-Innenbeschichtung.
  • Fig. 2 ist eine Ansicht einer Kompakt-Leuchtstofflampe. Die Lampe besteht aus vier dünnen parallelen Lampenumhüllungen 1 (nur zwei davon sind in der Zeichnung dargestellt), die aus einem Glas mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt sind. Die Lampenumhüllungen sind über eine Brücke 4 miteinander verbunden. Die Lampe umfasst auch einen Lampensockel 2 zum Aufnehmen von Schaltungselektronik und eine Gewinde-Lampenfassung 3, die in einer Leuchte zu installieren ist, und durch die die Netzspannung zugeführt wird. Wegen der hohen Wandbelastung ist die Verwendung eines Glases mit geringem Natriumgehalt in diesem Lampentyp besonders vorteilhaft.
  • Das erfindungsgemäße Glas ist (nahezu) frei von Na&sub2;O. Durch Verwendung dieser Art Glas in einer Lampenumhüllung für eine Leuchtstofflampe wird die Vergiftung von Phosphoren durch Natrium verhindert. Zudem wird Amalgambildung entgegengewirkt. Beide Effekte führen zu einem verbesserten Lichtstromfaktor der Lampe, d. h. der Lichtstrom der Lampe nimmt im Betrieb nur langsam mit der Zeit ab. Die Verwendung dieser Art Glas führt auch zu einem geringeren Quecksilberverbrauch der Lampe. Daher kann die der Leuchtstofflampe hinzugefügte Menge Quecksilber kleiner sein als die Menge, die Lampen mit den üblichen natriumhaltigen Lampenumhüllungen zugefügt werden; dies hat wesentliche vorteilhafte Effekte für die Umwelt. Bei Verwendung eines solchen Glases mit niedrigem Natriumgehalt in einer Leuchtstofflampe ist eine innere Schutzbeschichtung aus beispielsweise Y&sub2;O&sub3; überflüssig. Ein zusätzlicher Vorteil des Glases ist, dass es einen breiten W. R., eine niedrige Tsoft und eine günstige Tliq hat, so dass das Glas problemlos zu Röhrenglas gezogen werden kann.

Claims (4)

1. Glaszusammensetzung zur Verwendung in Komponenten einer Lampenumhüllung, wobei die Zusammensetzung Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Bariumoxid und zumindest zwei Alkalimetalloxide umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaszusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, die folgenden wichtigen Bestandteile umfasst:
SiO&sub2; 55-70
Al&sub2;O&sub3; 2-6
Li&sub2;O 0,5-4
Na&sub2;O < 0,1
K&sub2;O 10-15
MgO 0-3
CaO 0-4
SrO 4-7
BaO 7-10
CeO&sub2; 0-0,5
2. Lampenumhüllung, die aus einem Glas mit der Zusammensetzung nach Anspruch 1 hergestellt ist.
3. Lampenumhüllung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenumhüllung röhrenförmig ist.
4. Leuchtstofflampe mit einer hermetisch abgedichteten Lampenumhüllung aus Glas, in der Elektroden untergebracht sind, die mit Stromzufuhrdrähten verbunden sind und zwischen denen beim Betrieb der Lampe eine Entladung stattfindet, wobei diese Lampenumhüllung mit einer Gasatmosphäre und Quecksilber oder einer Legierung aus Quecksilber gefüllt ist, das beim Betrieb der Lampe zumindest teilweise verdampft, und wobei eine Schicht auf der Innenfläche der Wandung der Lampenumhüllung angebracht ist, welche Schicht zumindest einen Phosphor umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenumhüllung aus einem Glas mit einer Zusammensetzung nach Anspruch 1 hergestellt ist.
DE69701439T 1996-05-13 1997-05-05 Glaszusammensetzung zur verwendung in einer fluoreszierenden lampe, lampenhülle hergestellt aus dieser glaszusammensetzung und fluoreszierende lampe mit einer lampenhülle aus dieser glaszusammensetzung Expired - Lifetime DE69701439T2 (de)

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