HU201176B - Metal-vapour gas discharge lamp - Google Patents

Description

A találmány tárgya fémgőzös gázkisülőlámpa, például fénycső, melynek csőalakú üveghutájába vagy kisülőcsövébe mindkét végén elektródák vannak beforrasztva, mely elektródák között villamos ívkisülés következtében pozitív töltésoszlop jön létre, és a töltésoszlop fémgőz ionjai gerjesztés következtében ultraibolya sugárzást bocsátanak ki. A kisülőcső belső felülete védőréteggel van bevonva az ultraibolya fénysugárzás ellen, amely áthatol a cső belső felületére felvitt fluoreszkáló, lumineszkáló bevonaton.

Ismeretes, hogy gázkisülőlámpák hatásos fénykibocsátása fokozatosan csökken az üzemórák számával, s referenciaként meg szokták adni a garantált fényáramot. Kísérletekből nyilvánvaló, hogy a lámpa fénykibocsátására negatív hatással vannak azok a kölcsönhatások, amelyek a kisülőcső üvegfelületében tartalmazott anyagok közt játszódnak le, melyek lehetnek fénypor szemcsék, higany, elektróda szerkezetek, a lámpatérben levő gáznemű szennyezők, így pl. nitrogén gáz. szénmonoxid, széndioxid, víz és szénhidrogének. E kölcsönhatások olyan kémiai reakciókhoz is vezethetnek, amelyek

- csökkentik a fénypor fizikai hatásfokát;

- csökkentik a fénycső látható fény átbocsátási képességét;

- szennyezik a lámpa gázterét és ezzel befolyásolják a lámpa fényparamétereit és hasznos élettartamát.

A gázkisülőlámpa úgymint fénycső kisülőcsöve vagy üvegburája nátronüvegből készül, ami tartalmaz higanyt, fényport. sugárzó anyagokat, nemes gáz töltetet és különböző gáznemű szennyezőket, melyek kémiai szempontból igen hevesen reagálnak. A kisülési mechanizmus által létrehozott kémiai reakciók így különböző reakció folyamatokban vesznek részt és gyakran befolyásolják ezen folyamatok egyensúlyának sebességét és állapotát. Az utóbbi időben elterjedt a kisülőcsövek átmérőjének csökkentése, ami növeli az üvegfelület falterhelését. Ily módon a létrehozott energiában gazdag ultraibolya sugarak (hullámhossz^ 185 nm) részaránya megnőtt a gerjesztő sugárzáshoz (hullámhossz= 254 nm) viszonyítva. Az ultraibolya sugarak ezen nagyobb sűrűsége, mely annak következménye, hogy az anód és katód közötti pozitív töltésoszlopban megnő az elektronok hőmérséklete, fokozza az energiában gazdag kémiai reakciók előfordulási esélyét.

Következésképp a fokozatosan csökkenő átmérőjű kisülőcsövek vagy üvegburák gyártásánál egyre nagyobb igények lépnek a lámpa szerkezetével, alkotóelemeivel szemben a kémiai ellenállással kapcsolatosan. a viszonylag nagy ultraibolya sugárzás miatt. Ilyen lámpák esetében többek között ha a higany atomokat 6¹ Pi (6. 7 eV) szintre gerjesztjük, veszélyt jelentenek bizonyos fényporokra, ha azok kristálymagjának kationjai villamosán negatívabbak 1.5 Pauling egységnél. Mint ismeretes, a gerjesztett higany atomok már szobahőmérsékleten reagálnak az oxigén atomokkal a következő képlet szerint:

Hg’ (g) + | O? (g) -> HgO (S)

A reakciótermék így higany-oxid. mely színes fényelnyelő bevonatként lekondenzál a lámpa kisülőterének különböző tartományaiban, elsősorban a Fara9 day-féle sötét sávot körülvevő fénypor rétegen, ahol a pozitív és negatív töltéshordozók előfordulása viszonylag magas (többek között Hg⁺, Hg?⁺, O).

Egy másik tényező ami hajlamos csökkenteni a lámpa fénykibocsátását, az ultraibolya sugárzás kölcsönhatása a higanyatomok és az üvegfalban levő anyagok reakciótermékeivel. Jól ismert, hogy különböző típusú üveganyagok különböző mértékben érzékenyek energiagazdag sugárzásra. Ezt a jelenséget szolarizációnak nevezik, ami fotokémiai kezdeményezésű redox reakció az üveg atomjai és oxidok fém ionjai között. Ez a fotokémiai folyamat gyakran az üveg elszíneződéséhez vezet, ami a látható fény átbocsátásának jelentős csökkenésével jár. Az ultraibolya sugarak üveggel való kölcsönhatása bizonyos esetekben azzal is járhat, hogy a higany atomok másodlagos reakcióban egyéb fényt elnyelő összetevőket, pl. HgS-t hoznak létre.

Az évek során, amíg kifejlődtek a fémgőzös gázkisülőlámpák, számos szakcikk jelent meg a higany és a kisülőcsövekben levő atomok amalgámképző reakcióiról, és a képződő reakciótermékek fényelnyelő tulajdonságairól.

A lámpa hasznos élettartama során az amalgámképződés mértéke nagy mértékben függ a bura üvegének összetételétől, és az üvegfelület állapotától. Az üvegfelület aktivizálódik amalgám képző reagensekkel már a lámpa gyártása során, az üveg belsejében levő lúgok diffúziójával, ha a fényporban tartalmazott kötőanyagot 600 °C hőmérsékletű kályhában beégetik. A lúgos amalgánok képződése, mely többé vagy kevésbé elszíneződött, pl. Na_n Hg_m (n,m= 1-8). jelentős mértékben hozzájárul a fényveszteséghez.

Mivel a fotokémiai reakció (szolarizáció) és az amalgám képződés veszélye nő a kisülőcsövek átmérőjének csökkenésével (magasabb falterhelés), kívánatos a reagenseket lehető legjobban elválasztani egymástól. Az optimális fénykibocsátásra alkalmas fényporok, pl. három sávos fényporok nem teljesítik azt a követelményt, hogy hatásos védőréteget képezzenek az amalgám képződés ellen. A maximális fénykibocsátásra alkalmas fényporok legkedvezőbb szemcseeloszlása olyan (2-8 pm), hogy a porréteg porózus, ami a higanygőz ellen mechanikailag csekély védőréteget biztosít. Ráadásul a 185 nm hullámhosszú ultraibolya sugárzás rosszul tükröződik a viszonylag durva fénypor részecskéken, és lényegében áthatol rajta, mivel ezen energiában gazdag sugárzás abszorpciója csekély. Következésképp a 185 nm hullámhosszú ultraibolya sugárzás megközelítőleg 50 %-a eléri a lámpabura üvegfelületét, ahol különböző kémiai és fotokémiai folyamatokat kezdeményez.

Egy kisülőcső hatásfoka, azaz a felhasznált energiára vonatkoztatott kibocsátott fényáram nagymértékben függ a fényporral bevont rétegtől. Ha lehetőség szerinti legjobb hatásfokkal akarunk fényt kibocsátani, akkor a fénypor kristályoknak bizonyos alak és méret követelményeket ki kell elégíteniük.

Kísérletek azt bizonyították, hogy a legjobb eredményt akkor érjük el. ha a kristályok lemez alakúak, melynek mérete 5x20x2 mikrométer. A fénypor bevonat hatásfoka azonban nagymértékben függ a bevonat vastagságától is. Ha a bevonat túl vékony, akkor az összes ultraibolya sugárzás nem alakul át látható fénnyé. Másrészt túl vastag bevonat esetén a

HU 201176 Β kristályok leárnyékolják egymást. Az ideális vastagság olyan, ami a fent említett alakú és méretű kristályokból 3-4 réteget tartalmaz.

Ismeretes az is. hogy adott kémiai összetételű fényporral bevont kisülőcsövek fénykibocsátását drasztikusan leronthatja az üvegbura anyaga és a fénypor között létrejövő kémiai reakció. A kisülőcső vagy üvegbura és a fényporbevonat közti védőréteg, mely ellenáll vegyi hatásnak és ultraibolya sugárzásnak, kellő védelmet nyújt a fényáram csökkenés ellen.

Gázkisülőcsövek ilyen védőréteggel való bevonása ismeretes a 229 247 sz. DD szabadalmi leírásból. Ezen publikáció szerint a kisülőcső vagy üvegbura belső felületét szilíciumdioxid (S1O2) vizes szuszpenziójával vonják be.

A 8405741—3 sz. SE szabadalmi leírás olyan bevonatot ismertet, amely csökkenti annak veszélyét, hogy a fénykibocsátó anyag érintkezzen a kisülőcső üvegfelületével és az üveget törékennyé tegye a gyártás közbeni ismételt hőkezelés során. A védőbevonat színtelen fém-oxid, alumínium-, szilícium-, vagy titán-oxid. A 3 544 828 sz. US szabadalmi leírás szerint a védőréteg tartalmaz poliorganosiloxant.

A találmány célja higanyos gázkisülőlámpákban olyan védőréteg kialakítása, mely megakadályozza a higany és a lámpa üvegében található amalgámképző alkálifémek reakcióját. További cél olyan védőréteg létrehozása, mely megelőzi a fénykibocsátó anyagok és az üveg alkotóelemei közötti fotokémiai reakciót. Ez csökkenti a fénykibocsátás csökkenését a lámpa egész élettartama alatt, és a védőbevonat segíti átalakítani az ultraibolya fényt látható fénnyé különösen akkor, ha a fénypor szemcseeloszlása egyenletes. A védőbevonat alkalmas arra is, hogy megakadályozza a szolarizációhoz vezető kémiai reakciókat, azaz a kisülőcső üvegfalán az ionok oxidációját és redukcióját, melynek eredményeként a színes reakciótermékek elnyelnék a látható fény bizonyos hullámhosszú összetevőit. A találmány egységes célja tehát olyan gázkisülő lámpa létrehozása, mely nélkülözi a hagyományos gázkisülölámpák fénykibocsátás csökkenését.

A kitűzött célt olyan tárgyi kialakítással érjük el, hogy a kisülőcső üvegfala és fluoreszkáló anyaga közé báriumszulfát vagy báriumszulfát és amorf anyag keverékéből, és szétdiszpergált szilícium-dioxidból készült védőréteget helyezünk.

Hosszantartó kísérletek bizonyították, hogy a találmány szerinti kisülőcsővel ellátott gázkisülölámpák fénykibocsátó anyag elöregedéséből származó fénykibocsátás csökkenése kisebb a vártnál.

Ez a kisülőcső szerkezetének csökkent mértékű reaktivitásának tudható be. A gerjesztett sugárzás visszaverődik a védőbevonatról és időben többször tükröződik a fénypor rétegen, miáltal jobb az ultraibolya sugárzás fényhasznosítása.

Ismeretes, hogy egy gázkisülőlámpa maximális fénykibocsátása több különböző paraméter egybeesésekor valósul meg. Az egyik ilyen paraméter a fénypor réteg optimalizálása tekintettel a szemcseméretre, fixálásra, felületsúlyra stb. Optikai modellekben kísérleteket végeztek annak demonstrálására, hogy a létrehozott fény hogy terjed a fénypor rétegben. Ezek a kísérletek azt mutatták, hogy a létrehozott fénynek csak 35 %-a sugárzódik közvetlenül, és 65 %-a pedig legalább egyszer tükröződik a lámpán belül.

A találmányt az alábbiakban célszerű példaképpen! kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajzra való hivatkozással ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábra a fény teijedésének modellje egy kisülőcsövön belül, a

2. ábra a hullámhossz és a remisszió közötti összefüggés grafikonja, a

3. ábra a fényáram a nullaórás (kezdeti) fényáram százalékában az egységnyi felületre felvitt fényportömeg függvényeként, s végül a

4. ábra védőbevonattal ellátott és anélküli fénycső fényáramcsökkenése az üzemóra függvényében. Az 1. ábrán a fény előállításának és kisülőcsövön belüli terjedésének modellje látható (a kisülőcső bal oldala védőbevonattal van ellátva, míg jobb oldala nincs). Az ábrán hivatkozási szám jelöli az 1 kisülőcsövet vagy üvegburát, a 2 védőréteget, a 3 fénypor bevonatot. A nyíllal jelölt fénysugarak áthaladnak a fénypor bevonaton, az U jelűek kisugároznak a lámpából, és az R nyíllal jelöltek visszatükrözött fénysugarakat jelölnek.

A 2. ábrán a hullámhossz és a remisszió közötti összefüggés grafikonja látható. Mindegyik görbe egy bizonyos összetételű védőbevonatot jelöl, nevezetesen az a 0,1 Ba SO4 + 0,9 S1O2 és a h pedig BaSO4.

A 3. ábrán látható a fényáram a nullaórás (kezdeti) fényáram százalékában a felvitt fényportömeg (g/36 Wattos fénycső) vagy az egységnyi felületre felvitt fényportömeg (mg/cm²) függvényeként. Az ábrából látható, hogy a találmány szerinti báriumszulfát vagy báriumszulfát és szilíciumdioxid 2 védőréteggel bevont (b görbe) kisülőcső maximális fényárama eltolódik az alacsonyabb felületsúlyú fénypor bevonat irányába.

A 2 védőréteg alkalmazásával a fényáram (LO) ca. 2 %-al növelhető az egységnyi felületre felvitt fényportömeg 10 %-os csökkenése mellett az a görbével jelölt védőbevonat nélküli kisülőcsőhöz viszonyítva.

A 4. ábra mutatja az üzemóra függvényében a fényáramcsökkenést védőbevonat nélküli 36 W-os fénycső (a görbe) és védőbevonattal ellátott 36 W-os fénycső (b görbe) esetében. Mindegyik görbe 30 mm-es 1 kisülőcsőre vonatkozik, és a görbékből világosan kitűnik a 2 védőréteg hatása a fény előállítására, nevezetesen magasabb fényáram (LO) érték nullaórás üzemmódnál, és kisebb fénykibocsátás csökkenés a lámpa működése során. A fényáram különbség 2000 üzemóra után eléri a 4 %-ot, és 10000 üzemóra égetési idő után 8 %-al lehet számolni. A találmány szerinti 2 védőréteg alkalmazása különösen előnyös a hasznos élettartam növelése szempontjából (a gazdaságos élettartam = 27.000 óra).

Jelen találmány hasznosságát alátámasztja nagy számú lámpa gyártása során szerzett tapasztalat. Minden kísérleti sorozatú 2 védőréteggel ellátott kisülőcsövet belekevertek védőréteg nélküli kisülőcsövek közé, így a lehető legazonosabb gyártástechnológiai feltételek mellett történt az előállítás.

A találmány szerinti 2 védőréteg tartalmaz kristályos, finomra granulált báriumszulfátot (szemcsemérete 30-220 nm. előnyösen 50-150 nm) vagy báriumszulfát és amorf keveréket, finoman diszpergált szilíciumdioxidot (szemcsemérete 5-30 nm, előnyösen 10-20 nm), és a rétegvastagság 0,03-0.50 mg/cm², előnyösen 0,06-0,20 mg/cm-.

-3HU 201176 Β

A 2 védőréteget úgy viszik fel az 1 kisülőcsőre, hogy belső felületét megnedvesítik szilárd báriumszulfát jól eldiszpergált vizes szuszpenziójával, vagy (BaSO4)_n + (SiOzlm (n=0,1-0,9; m=l-n) vizes szuszpenziójával. A szuszpenzióra az jellemző, hogy a pigmens legalább 95 %-a elemi szemcse, és a szuszpenzió hosszú ideig stabil marad, tehát reagglomerációs foka alacsony. A szuszpenziót védőpigmens, kötőanyag pl. ΑΡΜΑ (ammónium polimetil akrilát), felület aktiváló anyag és ionmentesített vagy desztillált víz koncentrátumaként állítják elő. A pigmenst kolloid keverék képző céllal diszpergálják, melyhez diszpergáló szert adagolnak, például nonilfenol-etilénoxid-kondenzátumot, előnyösen a kereskedelemben ETHYLAN-TU védjegy alatt forgalmozott kondenzátumot. A 2 védőréteget fenti koncentrátumból készítik, ionmentesített vízzel való hígítással. A felvitt szuszpenziót 60°C-os levegővel való kiszárítással kötik meg az üvegfelületen. Ezután viszik fel a fénypor réteget.

A fent ismertetett szuszpenzió összefüggő, jól tapadó 2 védőréteget képez az 1 kisülőcső üvegfelületén. A pigmens, azaz BaSO4 vagy BaSO4 és SiOa keveréke lényegében elemi szemcsékként vannak rögzítve. 0,12 mg/cm² rétegvastagság és 50-100 nm szemcseméret esetén a szemcsék 30-60 rétegben helyezkednek el, ami 10¹¹ - 10¹⁴ optikai fényszóró egységet jelent minden cm²-en. A legtöbb fényszóró egység (>10¹³) akkor áll fenn. ha a 2 védőréteg összetétele (BaSCUlo.i + (Si02)o.9A találmány szerinti 2 védőréteg a fényáram csökkenést megakadályozó hatása mellett javítja az ultraibolya sugárzást látható fénnyé alakítását is. A 2 védőréteg védőhatása két csoportba osztható:

1. mechanikai korlát, mely megakadályozza, hogy

Hg'', Hg²’ és bizonyos mértékű ultraibolya sugárzás elérje a kisülőcső üvegfalát;

2. Optikai korlát, mely visszasugározza az ultraibolya sugárzást, és ezzel minimumra csökkenti a kisülőcső üvegfalán a fotokémiai reakció jelenségét.

A 2 védőréteg által megnövelt rövid hullámú sugárzás azt jelenti, hogy a gerjesztő sugárzás sokkal jobban hasznosul a fénypor rétegen való többszörös visszatükröződés következtében. A réteg remissziós jellemzői leírhatók a Raleigh-egyenlettel, mely a por rétegre beeső szórt sugárzást adja meg.

V²

I = K x lo x λ⁴ ahol:

I = a szórt sugárzás intenzitása lo = a beeső sugárzás intenzitása V = részecske térfogat λ = a beeső sugárzás hullámhossza.

A sugárzási remisszió értékkel arányos.

A remisszió így annál nagyobb, minél rövidebb a hullámhossz. Ez előnyös a sugárzási egyensúly szempontjából, és biztosítja az 1 kisülőcső előzőekben említett optikai védelmét, és a fénykibocsátó anyaghoz való visszatükröződő gerjesztő sugárzásban eredményeződik, ami elősegíti asugárzás látható fénnyé való átváltozását. A 2. ábra a 2 védőréteg azon képességét ábrázolja, ami mérsékeli a különböző hullámhosszú sugárzást. A Raleigh-egyenlet olyan rendszerekhez alkalmazható, ahol a fénypor szemcsemérete kisebb mint a sugárzás hullámhossza. Ez a feltétel teljesül a találmány szerinti 2 védőrétegen, ahol a szemcseméret eloszlása olyan, hogy igen nagy számú fényszóró egység kerül egy felületegységre. Ha a rövidhullámú sugárzás remisszióját pl. egy 2 védőréteg alkalmazásával megnöveljük, a lámpa fényhasznosítása javul, ha a 185 nm-es sugárzás átalakul látható fénnyé azon túl, hogy a fő gerjesztő sugárzás hullámhossza 254 nm. A 185 nm és 254 nm-es sugárzás elnyelődése a lumineszkáló anyagban attól függ, hogy ennek az anyagnak milyen a remisszió spektruma az ultraibolya tartományban.

Különböző lumineszkáló anyagok remissziós és gerjesztési tulajdonságainak rövidhullámú ultraibolya fényben (<200 nm) végzett most nyilvánosságra hozott kutatásai azt mutatják, a 185 nm-es sugárzás vesz részt a fény előállításában. Egy példa erre a zöld szinten sugárzó CAT-komponens {(Ce, Tb)Mg AIn O19) háromsávos fényporban, melynek magas fokú abszorpciója és gerjesztése kiterjed az egész ultra25 ibolya tartományra 185-300 nm között. Mivel például a 185 nm-es ultraibolya fény aránya egy 36 W-os kisülőcsőben az ultraibolya sugárzás mintegy 12 %-a, lehetséges a lámpa fényhasznosítását emelni néhány százalékkal a 185 nm-es és 254 nm-es hullámhossz valóságos remissziójával. Ez elsősorban akkor áll fenn, ha a 185 nm-es fénypor kvantum cseréje viszonylag nagy érték, mint a CAT és bizonyos halofoszfátok esetében.

Claims (8)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Fémgőzös gázkisülőlámpa, melynek üvegburában két elektróda között elhelyezkedő kisülőtere van, a kisülőtér nemes gázzal van megtöltve és az

   40 üvegbura belső felülete egysávos vagy többsávos fluoreszkáló anyaggal van bevonva, azzal jellemezve, hogy a kisülőcső (1) üvegfala és a fluoreszkáló fénypor bevonat (3) között báriumszulfát vagy báriumszulfát és amorf keverékből, nagyon

   45 finoman eldiszpergált szilíciumdioxidból álló védőréteg (2) van.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti gázkisülőlámpa, azzal jellemezve, hogy a báriumszulfát nagytisztaságú, kristályos alakú és szemcsemérete 30-220 nm

   50 közötti, előnyösen 50-150 nm közötti.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti gázkisülőlámpa, azzal jellemezve, hogy a szilíciumdioxid szemcsemérete 5-30 nm közötti, előnyösen 10-20 nm közötti.

   55
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti gázkisülőlámpa, azzal jellemezve, hogy a védőréteg (2) vastagsága 0,03-0,50 mg x cm'², előnyösen 0.060,20 mg x cm'².
5. 5. A 3. vagy 4. igénypont szerinti gázkisülőlámpa,

   60 azzal jellemezve, hogy a védőréteg (2) (BaSO4)n + (Si02)m tartalmú, ahol n = 0.1 - 0,9 és m = 1 - n.
6. 6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti gázkisülőlámpa, azzal jellemezve, hogy a védőréteg (2)

   65 anyagának több mint 95 %-a elemi szemcse.

   H(J 201176 Β
7. 7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti gázkisülőlámpa, azzal jellemezve, hogy a védőréteg (2) lámpabura üvegfalához való tapadásának elősegítésére szolgáló kötőanyag ammónium polimetil akrilát. 5
8. 8. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti gázkisülőlámpa, azzal jellemezve, hogy a védőréteg (2) kötőanyaga agglomerációt megakadályozó tulajdonságú.