DE1001415B

DE1001415B - Entladungslampe mit farbkorrigierender Leuchtstoffschicht und Reflektor

Info

Publication number: DE1001415B
Application number: DEW15458A
Authority: DE
Inventors: Frank J Hierholzer; Luke Thorington
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1953-12-03
Filing date: 1954-12-02
Publication date: 1957-01-24
Also published as: FR1118444A; BE533801A; NL191687A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungslampen, insbesondere farbkorrigierte Reflexionslampen mit Quecksilberdampfhochdruckfüllung, deren Ausstrahlung auf eine bestimmte Richtung festgelegt werden kann.

Bisher hat man bei farbkorrigierten Reflexionslampen mit Quecksilberdampfhochdtruckfüllung eine dünne Aluminiumschicht als reflektierendes Medium verwendet. Das Aluminium wird normalerweise auf das Mattglas des äußeren Kolbens auf der Innenwand aufgetragen und hierauf der farbkorrigierendeLeuchtstoff auf der Aluminiumschicht. Da man festgestellt hat, daß das Aluminium in solchen Geräten als Refiexionsschicht weniger wirksam ist als Silber, ist es wünschenswert, den Aluminiumreflexionsüberzug durch einen S.ilberreflexionsüberzug zu ersetzen, um die Lumenleistung der Lampe zu steigern. Es waren jedoch alle Versuche, in diesen Geräten Silber für den Reflexionsüberzug zu verwenden, erfolglos. Bei früheren Versuchen war zwar die Anfangsleistung der Lampen, bei denen eine Silberreflexionsschicht verwendet wurde, höher als diejenige der Lampen, die eine Aluminiumreflexionsschicht verwenden. Aber nach kurzer Betriebsdauer, etwa nach 100 Stunden, fiel die Leistung der Lampen mit dem Silberüberzug stark ab, und nach etwa 2500 Stunden war die Leistung so weit abgefallen, daß sie ungefähr der Leistung einer entsprechenden Lampe mit einem AIuminiumrefiexionsüberzug entsprach.

Dieser Leistungsabfall ist wahrscheinlich auf eine Wechselwirkung zwischen dem farbkorrigierenden Leuchtstoff und dem Silberreflexionsbelag zurückzuführen, da das Silber den Leuchtstoff vergiftet, während' gleichzeitig der Leuchtstoff mit dem Silber reagiert und die reflektierendien Eigenschaften des Silberbelags teilweise zerstört. Eine solche Erklärung erscheint vernünftig, wenn man bedenkt, daß farbkorrigierte Reflexionslampen mit Quecksilberdampfhochdruckfüllung normalerweise für den Betrieb mit so hohen Leistungen bestimmt sind, daß der äußere Kolben, der den Reflexionsbelag und den farb- korrigierenden Leuchtstoff trägt, während des Betriebs ständig Temperaturen zwischen 150 und 400° C unterworfen ist. Deshalb war es bisher zwecklos, eine Silberreflexionsschioht auf einer Mattglasröhre zu verwenden, um die Leistung der farbkorrigierten Reflexionslampen zu steigern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reflexionsbelag für den Reflexionskolben einer elektrischen Entladungsslampe zu schaffen, der die Betriebsleistung und die Lebensdauer der Lampe vergrößert.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß die der Stirnseite, der Seite freien Lichtaustritts, gegenüberliegende paraboloide Innenfläche des äußeren Entladungslampe mit farbkorrigierender Leuchtstoffschicht und Reflektor

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing* F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Dezember 1953

Frank J. Hierholzer, Blaomfield, N. J.,

und Luke Thorington, Glen Gardner, N. J. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Kolbens, vorzugsweise aus Klarglas mit aufeinanderliegenden Schichten von Spiegelsilber, Kieselsäure und Leuchtstoff überzogen ist.'

Obwohl die Sahiahtanordnung nach der Erfindung im Prinzip auf jede Reflex ions lampe anwendbar ist, bei der der Leuchtstoff auf einen Reflexionsbelag aufgetragen wird, treten ihre Vorzüge ganz besonders in Verbindung mit einer farbkorrigierten Reflexionslampe mit Quecksilberdampfhochdruckfüllung, die bei verhältnismäßig hoher Temperatur arbeitet, in Erscheinung.

Die Erfindung erhellt aus¹ der Beschreibung der Zeichnungen. Es stellt dar

Eig. 1 die Da-aufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine farbkorrigierte Reflexionslampe mit Quecksilberdampfhochdruckfüllung, die. den verbesserten Reflexionsbelag verwendet,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des reflektierenden Mantels des äußeren Kolbens im Schnitt,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Lusmenleistung (Ordinate) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer (Abszisse).

In Fig. 1 ist eine farbkorrigierte Reflexionslampe ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt einen länglichen, äußeren Kolben mit einer lichtdurchlässigen Linse oder Stirnseite 12, die klar und matt sein oder einen Kieselsäureüberzug tragen kann, einen bauchigen paraboloiden Mantel 14 und einen Hals 16.

609 7Ϊ7/343

Eine elektrische Lichtquelle 18 für ulitraviolette und sichtbare Strahlen befindet sich innerhalb des äußeren Kolbens. Sie umfaßt einen röhrenförmigen inneren Ouarzkolben 20, der an beiden Enden abgeschlossen ist, Hauptelektroden 22 und 24, die an beiden Enden des Kolbens 20 befestigt - sind, sowie eine Hilfselektrode 26 nahe der Hauptelektrode 22, für die Anlaufzeit der Lampe. Beide Hauptelektroden können aus Wolf ramdrabt bestehen, der mit einem weiteren WoIf-

bogens zwischen den Hauptelektroden 22 und 24; der Widerstand zwischen den Hauptelektroden ist dann ausreichend gering, so daß eine Entladung zwischen der Hauptelektrode 22 und der Hilfselektrode 26 nicht mehr stattfindet. Der Betriebsdruck in dem inneren Kol'ben 20 kann je nach der Art der Lampe variieren. Er ist beispielsweise 2,5 at. Der Leistungsverbrauch einer solchen Lampe ist beispielsweise 400 Watt. Der Entladungsbogen in der Quecksilberdampf

ramdraht überwickelt ist. Zur Erleichterung des An- io atmosphäre erzeugt bekannterweise sichtbare und laufs kann, wie üblich, in der Wolframüberwicklung ultraviolette Strahlen. Die ultraviolette Strahlung eine kleine Menge Thorium enthalten sein. Die Hilfselektrode 26 kann, wie üblich, aus Wolframdiraht ge

kann dazu verwendet werden, eine rot emittierende Leuchtstoffschicht anzuregen, die auf die Innenfläche

fertigt sein. .. .. des äußeren Kolbens aufgetragen ist; die so erzeugte

Die elektrische Lichtquelle 18 ist innerhalb des 15 rote Lumineszenzstrahlung ergänzt das sichtbare

äußeren Kolbens durch die Rahmendrähte 28 und 30 Licht des Quecksilberdampfbogens, in welchem der

gehaltert; diese sind an einem Ende an einem Rahmenträger 32 befestigt und werden am anderen Ende mittels mehrerer Blattfedern34, die in eine Aus-

und mit axialen Bohrungen versehen sind, in die die abgeschlossenen Enden des inneren Quarzkolbens eingreifen. An den Rahmendrähten 28 und 30 sind Stütz-

der elektrischen Strahlungsquelle 18 dienen.

Wie üblich, ist ein Glasfuß 40 mit einem Evakuierungsröhrehen 42 in den Kolbenhals 16 des äußeren

■rote Spektralanteil fehlt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des mehrschichtig überzogenen bauchigen Reflexionsmantels 14 buchtung der Stirnfläche 12 des äußeren Kolbens ein- 20 des äußeren Kolbens. Dieser reflektierende Teil des greifen, festgehalten. Die Rahmendrähte können aus Kolbens besteht aus einer Unterlage 54 aus Klarglas, nickelüberzogenem Eisen gefertigt sein, die Blatt- aus dem der Kolben gefertigt ist, einem Silberfedern 34 aus einem elastischen Material, etwa einer reflexionsbelag 56, der als glatte spiegelnde Fläche Nickel-Kobalt-Aluminmm-Ti.tan-Legierung. ausgebildet ist, einem Kieselsäurebelag 58, der über

Der Halterung der Quarzröhre dienen Platten 36, 25 dem Silberbelag liegt und einer Leuchtstofrschioht 60, die zwischen den Rahmendrähten 28 und 30 befestigt die auf der Kieselsäureschicht aufgetragen ist. Die

Glasunterlage 54 braucht nur so dick zu sein, daß der Lampenkolben eine ausreichende statische Festigkeit hat, um die Belastung des Gebrauchs auszuhaken und

bänder 38 befestigt, die mit dem Kolbenhals 16 in 30 um ein Vakuum von 1,6 mm einzuschließen. Der Wechselwirkung stehen und ebenfalls der Halterung Silberbelag kann durch die wohlbekannte Vakuum-Metall-Überzugstechnik aufgetragen werden und kann etwa 12 μ stark sein. Diese Stärke ist jedoch nicht entscheidend. Der bauchige Mantel 4 des äußeren Kolbens Kolbens eingeschmolzen. Zuleitungsdrähte 44 und 46 35 ist derart geformt, daß sein mehrschichtiger Überzug aus einer Kupfer-Nickel-Legierung führen, wie üblich, auf der zu beleuchtenden Stirnfläche eine gleichmäßige zu einer die Stromzuleitung besorgenden Metall- Helligikeitsverteilung erzeugt. SolcheKolben entstehen fassung. Diese Zuleitungsdrähte sind in einen Quetsch- normalerweise aus empirisch bestimmten Kurven, kopf 50 des Fußes 40 eingeschmolzen. Sie können aus Der Kieselsäurebelag kann aus jedem fein verNickel gefertigt sein und an den Stellen, an denen sie 40 teilten Kieselsäurepulver bestehen. Man hat gefunden, durch den Quetschkopf treten, zur Erleichterung des daß ein Pulver, bestehend aus 3 Gewichtsprozent Einschmelzprozesses, wie üblich, einen Kupferüber- Kalziumoxyd, 1 % Natriumchlorid und 96 Gewichts-. zug tragen. Der eine Zuführungsdraht 44 ist mit dem prozent Kieselsäure den Ansprüchen genügt. Aber Rahmenträger 32 leitend verbunden, der andere Zu- auch reine Kieselsäure würde den Ansprüchen gerecht führungsdraht 46 ist mit der Hauptelektrode 22 über 45 werden. Die durchschnittliche Teilchengröße der einen Nickeldraht leitend verbunden. Die andere Kieselsäure kann z. B. von der Größenordnung 0,2 Hauptelektrode 24 ist mit den Drähten des Rahmens bis 0,6 μ sein. Die untere Grenze für die Durohüber einen Nickelleiter verbunden. Die Anlaufshilfs- schnittsgröße der Kieselsäureteilchen ist nicht entelektrode hängt über einem lSOOO-Ohm-lS-Watt- scheidend. Die obere Grenze für den Durchmesser der Widerstand 52 an den Rahmendrähten. Wie üblich, 50 Kieselsäureteilchen sollte nicht höher sein als die

Wellenlänge der- zu streuenden Strahlung, nämlich etwa zwischen 2500 und 7000 Ängström-Einheiten. Damit ersetzt der Kieselsäureüberzug die bisher verwendete Mattierung zur Erzielung einer vollkommenen Streuung der Strahlung.

Die Stärke der Kieselsäureschicht kann von einem Bruchteil eines mg (z. B. 0,06 mg) bis zu mehreren mg (z. B. 35 mg) pro cm² variieren, aber diese Schichtstärlie ist nicht entscheidend. Um den Kiesel-

Das Volumen zwischen dem inneren und äußeren 60 säurebelag auf den Silberreflexionsbelag aufzutragen, Kolben enthält im allgemeinen eine Füllung von Stick- wird die Kieselsäure in einem Suspensionsmittel, etwa

Butylalkohol, aufgeschlämmt und in üblicher Weise ein Überzug gebildet; eine zufriedenstellende Suspension besteht z. B. aus 36 g Kieselsäure in 200 cm³

nung angelegt wird, schlägt zwischen der Anlaufs- 65 Butylalkohol. Andere Suspensionsmittel können an hilfselektrode 26 und der Hauptelektrode 22 ein An- Stelle des Butylalkohols verwendet werden,- vorauslaufbogen über. Die Stromstärke dieses Bogens ist gesetzt, daß sie flüchtig sind und die Kieselsäure oder durch den Widerstand 52 begrenzt. Dieser Anlauf- den Reflexionsbelag nicht angreifen. Beispiele für bogen ionisiert die Atmosphäre in dem inneren Kolben andere befriedigende Suspensionsmittel sind Aceton, und ermöglicht dadurch den Überschlag eines Haupt- 70 Äthylalkohol und Amylalkohol. Beim Auftragen der

sind alle Elektroden mit den zugehörigen Leitungsdrähten durch Molybdänbänder 53 verbunden, die deshalb verwendet werden, weil sie den Einschmelzprozeß durch die abgeschlossenen Enden der Quarzkolben 20 erleichtern.

Der innere Quarzkolben 20 enthält Argon, um den Anlauf zu erleichtern, und etwas Quecksilber, welches beim Betrieb der Lampe teilweise verdampft. Der Gasdruck des Argons ist beispielsweise 20 mm Hg.

stoff bei einem Druck von 500 mm Hg.

Der Betrieb einer solchen Lampe ist an sich bekannt. Wenn über die Drähte 44 und 46 eine Span-

Kieselsäure auf die Reflexionsschicht werden die Teile des Kolbens, die nicht überzogen werden sollen, mit den üblichen Mitteln abgedeckt. Dann wird die Suspension über die Innenfläche des Kolbens gegossen. Schließlich wird das Suspensionsmittel verflücbtigt, und¹ der Kieselsäurebelag bleibt als Rest zurück.

Die Leuchtstoffschicht 60 wird auf die Kieselsäuresdhicht nach dem gleichen Verfahren aufgetragen, das für das Auftragen der Kieselsäuresahicht verwendet wird, nämlich durch Aufschlämmung des Leuchtstoffs in einem organischen Lösungsmittel, etwa Butylalkohol, zu einer Suspension und durch Übergießen der Kolbeninnenfläche mit dieser Suspension und anschließendem Verflüchtigen des Suspensionsmittels. Ein Beispiel einer befriedigenden Suspension ist die Aufschlämmung von 75 g Leuchtstoff in 100 g Butylalkohol. Das Durchsohnittsgewidht der Leuchtstoffschicht kann beispielsweise etwa 1,55 mg · cm² sein.

Der Leuchtstoff, der in einer farbkorrigierten Lampe verwendet wird, muß notwendigerweise vorwiegend im Rotbereich des Spektrums strahlen, damit die vorwiegend blaue Strahlung des Quecksilberdampf bogens korrigiert wird. Weiter muß der Leuchtstoff in einem Temperaturbereich von zwischen 150 und 400° C wirksam fluoreszieren, da, wie vorher angedeutet, die farbkorrigierte Reflexionslampe mit-Quedesilberdampfhochdruckfüllung normalerweise mit verhältnismäßig hohen Leistungen arbeiten und daher verhältnismäßig hohe Betriebstemperaturen berücksichtigt werden müssen. Als Beispiele -befriedigender Leuchtstoffe können Magnesiumgermanat, Magnesiumarsenat, Magnesiumfluorgermanat oder eine Mischung von 4O°/o Magnesiumfluorgermanat, 40% Calciumstrontiumsilikat und 20% Calciumfluorphosphat angesehen werden.

Eig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die totale Lumenleistung in Abhängigkeit von der Betriebsdauer (in Stunden) aufgetragen ist, und zwar für die Lampen der

Klasse 1, das sind die Lampen der älteren Bauart, bei denen eine Aluminiumreflexionsschicht auf der Innenseite des Mantels eines Mattglaslcolbens aufgetragen ist und farbkorrigierender Leuchtstoff auf dem Reflexionsbelag aufliegt; der

Klasse 2, das sind Entladungslampen, bei denen ein Silberreflexionsbelag auf der Innenfläche eines Milchglaskolbens aufgetragen und ein farbkorrigierender Leuohtstoffbelag direkt auf die Reflexionsschicht aufgetragen ist; der Klasse 3, das sind die erfindungsgemäßen Lampen. Man entnimmt diesen Kurven, daß nach lOOstünddger Brennzeit die Lumenleistung der Lampen der Klasse 1 25% unter der Lumenleistung der Lampen der Klasse 3 und die Lumenleistung der Lampen der Klasse 2 15% unter der Lumenleistung der Lampen der Klasse 3 liegt. Da die Lampen normalerweise nach ihrer Leistung nach lOOstündiger Brennzeit beurteilt werden, sind die vorstehenden Vergleichszahlen besonders wichtig. Es sei jedoch bemerkt, daß nach etwa 2500sitündiger Brennzeit die Lumenleistung der Lampen der Klasse 2 etwa die gleiche ist wie die Lumenleistung der Lampen der Klasse 1, während die Lampen der Klasse 3 ihre verhältnismäßig hohe Leistung beibehalten.

Es sei bemerkt, daß der Kieselsäurebelag 58 nicht 100%ig durchsichtig ist, und es konnte also, obwohl man mit einigem Gewinn an Lumenleistung wegen der Verwendung einer Silberreflexionsschicht statt einer Aluminiumreflexionsschicht rechnen durfte, eine wesentliche Verbesserung der Gesamtleistung nicht erwartet werden, da das Liebt, das durch die Stirnfläche21 des äußeren Kolbens austritt, mindestens zweimal durch die Kieselsäureschicht 58 hindurchtreten muß. Der 25%ige Anstieg der Gesamtleistung nach 100 Stunden Brennzeit kam also tatsächlich unerwartet. Dieser unerwartete Leistungsanstieg kann teilweise durch die erhöhte Ausbeute an rotem Licht erklärt werden, da der Kieselsäurebelag gewisse Diffusionseffekte für ultraviolette Strahlung zeigt, denen zufolge das ultraviolette Licht in dem Lumines'zenzvorgang besser verwertet wird. Führt man diese Gedankengänge weiter, dann stellt man fest, daß für eine genaue Farbkorrektion der sichtbaren Strahlung des Quecksilberdampfbogens die Ausbeute an rotem Licht aus der farbkormgierenden Leuchtstoffschicht etwa 9% der Gesamtstrahlung der Lampe ausmachen soll. Dieser Prozentsatz an rotem Lichit kann etwas variieren. Durch wirksamere Verwertung der Ultraviolettstrahlung beim Lumineszenzvorgang wird eine geringere Menge farbkorrigierender Leuchtstoffmasse erforderlich, um die gleiche Ausbeute an rotem Licht zu erzielen, und in der Folge wird weniger sichtbare Strahlung des Quecksilberdampfbogens durch den Leuchtstoff absorbiert werden. Auf jeden Fall ist die Arbeitsweise der Lampe merklich verbessert worden, wie auch immer die Erklärung für diese Verbesserung sein mag.

Die Kurven der Fig. 3 sind für Lampen gezeichnet worden, die eine Leuchtstoffsohicht aus Magnesiumfluorgermanat verwenden, die die wirksamste farbkorrigierende Leuchtstoffschicht ist, die für diese Anordnung gefunden werden konnte. Magnesiumgermanat kann ebenfalls verwendet werden; es ist etwas weniger wirksam. Magnesiumarsenat und die im vorstehenden erwähnte Mischung sind sogar von schlechter Wirkung, verglichen mit Magnesiumfluorgermanat. Die allgemeine Form und die relative Lage der Kurven der Fig. 3 werden jedoch die gleichen bleiben, ganz gleich, welche farbkorrigierende Leuchtstoffsehicht Verwendung findet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann man den Leuchtstoff in der Kieselsäure auch verteilen, statt den Leuchtstoff und die Kieselsäure in getrennten Schichten auf den Reflexionsüberzug des Klarglaskolbems aufzutragen, wie dies in der erstgenannten Ausführungsform vorgesehen ist. In einem solchen Überzug ist der größte Teil der Leuchtstoffmasse außer Berührung mit der reflektierenden Schicht und ist tatsächlich von dieser Reflexionsschicht durch eine Kieselsäureschicht ziemlich gut getrennt. Eine Wechselwirkung wird demgemäß sehr reduziert, und die Arbeitsweise der Lampe ist ebenso gut wie bei der bevorzugten Ausführungsform. Wenn hier von einer Schicht oder einem Überzug von Kieselsäure zwischen der Leuchtstoffmasse und der Reflexionsfläche gesprochen wird, dann ist keine Einschränkung gemacht, denn es liegt keine eigentliche Trennungschicht vor; der Kieselsäureanteil, der auf der reflektierenden Fläche aufliegt, verhindert in einem gemischten Überzug aus Leuchtstoffmasse und Kieselsäure eine Wechselwirkung zwischen dem Metall des Reflexionsüberzugs und dem Leuchtstoff.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Entladungslampe, z.B. Quecksilberdampfhochdrucklampe mit einem ultraviolett- sowie lichtdurchlässigen Entladungsrohr und einem dieses umfangenden lichtdurchlässigen Kolben,

der auf seiner Innenseite eine farbkorrigierende Leuchtstorrschicht und außerdem eine Reflektorschicht trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die der Stirnseite (der Seite freien Lichtaustritts) gegenüberliegende paraboloide Innenfläche des äußeren Kolbens -vorzugsweiseaus Klarglas mitaufeinanderliegenden Schichten von Sp-iegelsüber, Kieselsäure und Leuchtstoff überzogen ist.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußerst feinkörnige Siliziumdioxydschicht die Leuchtstoffteilchen selbst umgibt und über der Spiegelsilberschicht eine Mischung von Siliziumdioxyd mit Leuchtstoff aufgebracht wird.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsleistung und

Kolbengröße derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Leuchtstoff, z. B. Magnesiumfluorgermanat, Magnesiumgermanat und Magnesiiumarsenat oder eine Mischung derselben, bei einer Betriebstemperatur von etwa 150 bis 400° C optimal fluoresziert.

4. Lampe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoffbelag aus einer Mischung von 40% Magnesiumfluorgermanat, 40% Calciumstrontiumsilicat und 20% Calciumfluorphosph.at besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 851 235;
schweizerische Patentschrift Nr. 272 702;
französische Patentschrift Nr. 997 753;
britische Patentschrift Nr. 494 192.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen