DE2812120A1

DE2812120A1 - Hochdruck-quecksilberdampf-entladungslampe

Info

Publication number: DE2812120A1
Application number: DE19782812120
Authority: DE
Inventors: William A Thornton
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-03-20
Publication date: 1978-10-12
Also published as: JPS53120866A; BE865203A; NL7802992A; US4065688A

Description

drying. Ernst Straimann

PATENTANWALT /öl·'*- I

D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

-5-

Düsseldorf, 17. März 1978

46,710
7818

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe

• Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe, insbesondere eine derartige Lampe mit integralen Einrichtungen zur Änderung der farbgebenden Eigenschaften und der Chromatizität des Lichtausganges„

Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampen sind bekannt und verwenden Lichtbogenröhren, die Strahlungen verschiedener Intensität im ultravioletten und im sichtbaren Bereich des Spektrums erzeugen. Im sichtbaren Bereich treten Hauptemissionslinien bei"405, 436, 546 und 578 Nanometer (nm) auf. Die intensivste Strahlung tritt im Ultraviolettbereich bei 253, 296 und 365 nm auf. Dem Lichtausgang derartiger Lampen fehlt daher die rotwellige Strahlung (Wellenlänge langer als 600 nm), Infolgedessen besitzt die Leuchtcharakteristik einen blauen Farbstich und verzerrt die Farben der meisten Objekte„

Um die lichtgebenden Eigenschaften sowie die Quellenfarbe derartiger Lampen zu verbessern, wurde es übliche Praxis,, die äußere Schutzumhüllung mit einem Leuchtstoff zu beschichten _p der einen Teil der ultravioletten Strahlung absorbierte und in Rotstrahlung umsetzte. Eine Hochdruck-Quecksilberdampf^Lampe (HPMV-Lampe)

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Postscheck. IERLlN west (BLZ 1OO 100 10) 132736-1Ο9 ■ deutsche dank (BLZ 300700 10) 0160253

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die eine innere Leuchtstoffbeschichtung aus manganaktiviertem Magnesiumfluorogermanat verwendet, ist in der US-Patentschrift 2 748 303 offenbart. Ein anderer für diesen Zweck verwendeter rotemittierender Leuchtstoff ist zinnaktivierter Strontiumorthophosphat-Leuchtstoff, der in der US-Patentschrift 3 110 680 beschrieben wird.

Eine weitere Verbesserung der Fähigkeit von Hochdruck-Quecksilberdampf-Lampen zur richtigen farbgetreuen Wiedergabe von beleuchteten Objekten wurde dadurch erreicht, daß die äußere Schutzhülle mit einem Leuchtstoff beschichtet wurde, der von der kupferaktivierten Strontiumphosphatart war, wobei der Leuchtstoff blaue oder grünblaue Strahlungen abgab, wobei ein derartiger Leuchtstoff mit einem rotemittierenden Manganfluorogermanat-Leuchtstoff vermischt wurde, um eine einzige Schicht von vermischten Leuchtstoffen zu erhalten. Die US-Patentschrift 3 328 beschreibt eine HPMV-Lampe, die Leuchtbeschichtungen aus derartigen Phosphoren verwendet.

Eine Hochdruck-Quecksilber-Lampe, die eine farbmodifizierende Beschichtung aus terbiumdotiertem europiumaktiviertem Yttriumvanadat-Leuchtstoff verwendet, welcher Rotstrahlung abgibt, wird in der US-Patentschrift 3 480 819 beschrieben. Dysprosiumaktivierte Yttriumvanadat-Leuchtstoffe, die verschiedene weitere Aktivierungsstoffe benutzen und im roten, gelben und blaugrünen Bereich des Spektrums Licht abgeben, wurden zur Verwendung in HPMV-Lampen zur Verbesserung von deren Lichtausgang in der US-Patentschrift 3 555 337 beschrieben.

Die Verwendung von einem eutropiumaktivierten Yttriumvanadat-Leuchtstoff als Farbmodifiζierungsbeschichtung für HPMV-Lampen, die orangerote Strahlungen hinzufügen, geht aus der US-Patentschrift 3 569 762 hervor. Ein Aufsatz von Luscher und Datta in der Ausgabe vom Januar 1970 der Zeitschrift "Illuminating Engineering" (Band 65, Nr. 1, S. 49 - 53) offenbart ebenfalls die Verwendung dieses Leuchtstoffes, wie auch Leuchtstoffe der rotemittierenden Yttriumvanadatphosphatart, und zwar bei

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Lampen zur Verbesserung ihres Lichtausganges.

Entsprechend weiteren Entwicklungen aus jüngerer Zeit wird die Farbwiedergabe von HPMV-Lampen dadurch verbessert, daß ein blauviolettemittierender Leuchtstoff (wie beispielsweise europiumaktiviertes Strontiumchlorophosphat) und ein orangerotemittierender Leuchtstoff (wie europiumaktiviertes Yttriumphosphatvanadat) kombiniert und auf die äußere Umhüllung der Lampe aufgeschichtet wird, entweder in Form von zwei getrennten Schichten oder in einer einzigen Schicht in der Form einer aus zwei Bestandteilen bestehenden Mischung. Eine Lampe dieser Art wird in der US-Patentschrift 3 670 194 beschrieben.

Eine andere modifizierte HPMV-Lampe verwendet eine Beschichtung der äußeren Umhüllung, wobei diese Beschichtung aus einer Mischung aus europiumaktiviertem Strontiumchlorosilikat und europiumaktiviertem Yttriumvanadatphosphat-Leuchtstoff besteht, welcher Ultraviolettstrahlung absorbiert und im blaugrünen bzw. roten Bereich des Spektrums emittiert, siehe US-Patentschrift 3 790 490.

Eine farbkorrigierte HPMV-Lampe, die einen Außenkolben verwendet, der zuerst mit einer nichtlumineszenten Schicht aus Silika, Titania, Magnesia oder Alumina versehen ist und dann mit einer Leuchtstoffbeschichtung, die aus einer Mischung aus Yttriumvanadat (oder Yttriumphosphatvanadat) und Magnesiumfluorogermanat (oder Magnesiumarsenat) besteht, welcher einen Teil der Ultraviolettstrahlung in rote oder orangerote Emission umsetzt und eine Lichtquelle mit Glühlampeneigenschaften liefert, wird in der US-PS 3 825 792 beschrieben.

Eine Modifikation einer HPMV^Lampe zur Verbesserung ihrer Farbwiedergabe und zur Lieferung einer Farbtemperatur im Bereich von 3200 bis 4500 K durch Beschichtung der äußeren Umhüllungen mit einer Mischung aus blaugrünemittierendem Leuchtstoff (.europiumaktiviertem Strontiumchlorosilikat) und einem rotemittierenden Phosphor (europiumaktiviertem Yttriumvanadatphosphat)

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zur Umsetzung des ultravioletten Lichtes in sichtbare Strahlungen entsprechender Farben wird in der US-Patentschrift 3 866 083 dargestellt.

Die Anwendung von sensibilisiertem ceriumaktiviertem Kalziumsulfid-Leuchtstoff bei einer HPMV-Lampe zur Umsetzung der Ultraviolettstrahlung in farbkorrigierende sichtbare Strahlung wird in der US-Patentschrift 3 898 174 vorgeschlagen.

Zwar haben die bekannten Lampen die Farbwiedergabeeigenschaften von HPMV-Lampen stark verbessert, doch ist die spektrale Verteilung des Lichtausganges der bekannten Lampen derartig, daß Farbverzerrungen von verschiedenen durch solche Lampen beleuchteten Gegenständen immer noch in einem solchen Ausmaß vorhanden sind, daß die Verwendung derartiger Lampen für die Innenbeleuchtung von Kaufhäusern und für ähnliche Anwendungen kommerziell nicht attraktiv ist. Die Farbverzerrung ist ziemlich deutlich im Falle von goldenen, blauen und roten Gegenständen. Goldfarbene Gegenstände werden gelblichgrün, blaue Gegenstände mehr violett und rote Gegenstände erscheinen purpurfarbig, was in keinem Falle für den Kunden eines Kaufhauses akzeptabel ist. Es wäre daher sehr wünschenswert, eine Lichtquelle zu schaffen, die den hohen Wirkungsgrad und die lange Lebensdauer einer HPMV-Lampe aufweist, jedoch eine Quellenfarbe und Farbwiedergabeeigenschaften aufweist, die ähnlich zu denen einer Glühlampe sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer derartigen Lichte quelle.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Haupte anspruchs gelöst, besteht also aus der Schaffung einer Hochdruck-Quecksilberdampf -Entladungslampe, die einen modifizierten Lichtausgang besitzt,' um ihr Farbwiedergabeeigenschaften zu geben, die ähnlich zu denen einer Glühlampenlichtquelle sind, wobei die Lampe ein Lichtbogenrohr enthält, das Quecksilber sowie ein ionisierbares Füllgas umschließt, eine lichtdurchlässige

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äußere Umhüllung, die das Lichtbogenrohr im Abstand umgibt, sowie Stützeinrichtungen aufweist, die das Lichtbogenrohr in vorbestimmter Stellung innerhalb der äußeren Umhüllung halten und einen elektrischen Schaltkreis liefern, um das Lichtbogenrohr an eine Leistungsquelle anzuschließen„ Von der äußeren Umhüllung werden Einrichtungen getragen, um vom Lichtbogenrohr erzeugte Strahlungen bestimmter Wellenlänge in ausgewählte Strahlungen größerer Wellenlänge umzusetzen und dadurch die Farbwiedergabeeigenschaften und die Chromatiζität des vom Lichtbogenrohr erzeugten Lichtes zu modifizieren, wenn die Lampe in Betrieb ist. Erfindungswesentlich ist, daß diese Modifizierungseinrichtungen aus den folgenden Bestandteilen bestehen; (a) einer ersten Schicht aus lumineszentern Material, das auf der inneren Oberfläche der äußeren Umhüllung aufgebracht ist und Strahlung im blauvioletten Bereich des Spektrums absorbiert, welche Strahlung vom Lichtbogenrohr erzeugt wird, und diese Strahlung in grüne und rote Strahlungen umsetzt, und (b) einer zweiten Schicht aus lumineszentem Material, die sich über der ersten Schicht erstreckt und von dem Lichtbogenrohr erzeugte ultraviolette Strahlung absorbiert und zu Strahlungen im roten Spektralbereich umsetzt, wobei die zweite Schicht aus lumineszentem Material für von der Lichtbogenröhre erzeugte blauviolette Strahlung durchlässig ist, so daß diese Strahlung mit der ersten Schicht aus lumineszentem Material in Wechselwirkung treten und von dieser umgesetzt werden kann.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform wird die innere Oberfläche der äußeren Umhüllung zuerst mit einer Mischung aus grünemittierendem Leuchtstoff (wie beispielsweise CaS?Ce) und einem rotemittierenden Leuchtstoff (wie beispielsweise CaS?Eu) beschichtet und dann mit einer zweiten Leuchtstoffbeschichtung Versehen, die die von dem Lichtbogenrohr emittierte sichtbare Strahlung hindurchläßt_? aber ultraviolette Strahlung absorbiert und zu roter Strahlung umsetzt (beispielsweise ein Leuchtstoff wie Yttriumvanadatphosphat) „ Die duale Beschichtung aus Leucht*= stoffen ist bezüglich, ihrer Absorptions= und Emissionsspektren so aneinander korrell©£t(, daß ein Teil der durch die Quecksilber^

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entladung erzeugten Ultraviolettstrahlung in rote Strahlung umgesetzt wird, während ungewünschte blauviolette und gelbe Strahlungen, die ebenfalls vom Lichtbogenrohr erzeugt werden und die Farbverzerrungsprobleme besonders stark machen, in grüne und rote Strahlung umgesetzt werden. Die Färbung von Vorhängen, Geweben und ähnlichen Gegenständen, die von der verbesserten Lampe beleuchtet werden, ist auf diese Weise angenehm und für das Auge befriedigend, selbst bei Vergleich mit anderen Arten farbkorrigierter hochintensiver Entladungslampen, die gegenwärtig am Markt sind. Im Gegensatz zu leuchtstoffbeschichteten HPMV-Lampen gemäß dem Stand der Technik, die goldgefärbte Gegenstände gelbgrünlich, blaugefärbte Gegenstände violett und rotgefärbte Gegenstände purpur erscheinen lassen, gibt die modifizierte Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung alle diese Farben in einer befriedigenderen Weise wieder.

Neben der Verbesserung der Farbwiedergabeeigenschaften der HPMV-Lampe vermindern die zwei Schichten aus lumineszentern Material die Farbtemperatur der Quecksilberentladung von etwa 5800 K auf eine Temperatur im Bereich von etwa 2600 bis 3000 K, Erfindungsgemäß wird daher eine Lichtquelle geschaffen, die den hohen Wirkungsgrad einer HPMV-Lampenart mit der Quellenfarbe und den Farbwiedergabeeigenschaften einer Glühlampe kombiniert, wobei die Lampe eine Farbtemperatur von etwa 2800 K aufweist. Die verbesserten Lampen können somit vorteilhafterweise auch zur Beleuchtung von Verkaufshallen u. dgl. benutzt werden, wie auch für andere Beleuchtungszwecke, bei der die Farbwiedergabeeigenschaften einer Glühlampe erwünscht sind und die Energiekosten eine Rolle spielen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist,

Es zeigt;

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Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe, wobei ein Teil der äußeren Umhüllung und des Lichtbogenrohrs für Illustrationszwecke weggebrochen ist;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der äußeren Umhüllung, längs Linie II-II der Fig. 1, um die zwei inneren Schichten des Leuchtstoffmaterials wiederzugeben;

Fig. 3 ein Farbdiagramm, in dem der gesamte Farbbereich von acht CIE-Testfarben durch eine bekannte farbkorrigierte HPMV-Lampe, die gemäß der US-PS 3 825 792 hergestellt ist, sowie durch eine Glühlampenquelle mit einer Farbtemperatur von etwa 2800 K wiedergegeben wird;

Fig. 4 ein ähnliches Diagramm, bei dem der durchschnittliche Farbbereich von CIE-Testfarben, die sich durch modifizierte HPMV-Lampen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Farbtemperaturen von 2700 und 2900 K ergeben, verglichen wird mit dem Farbbereich, der von einer Glühlampenquelle mit einer Farbtemperatur von etwa 2800 K erhalten wird; und

Fig. 5 eine grafische Darstellung der spektralen Leistungsverteilung des von der vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäß verbesserten HPMV-Lampe abgegebenen Lichtes,

Zwar kann die vorliegende Erfindung bei HPMy-Lampen verschiedener Größen und Nennleistungen verwendet werden _f jedoch wurde eine praktische Ausführungsform durch Modifikation von HPMV~Lampen mit einer Leistung von 400 W verwirklicht_? so daß die vorliegende Erfindung zweckmäßigerweise anhand einer derartigen Lampe erläutert wird.

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In Fig. 1 wird eine 400 W-Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe 10 dargestellt, die das übliche Lichtbogenrohr 12 aufweist, das innerhalb einer lichtdurchlässigen äußeren Umhüllung 14 gehalten ist. Das Lichtbogenrohr 12 ist aus einem geeigneten hochtemperaturfesten Material wie Quarz zusammengesetzt, während die äußere Umhüllung 14 aus Hartglas hergestellt ist. Das Lichtbogenrohr 12 wird innerhalb der äußeren Umhüllung 14 in der üblichen Weise durch einen Metallstützrahmen 16 zentral gehalten, wobei der Rahmen an einem Zuführdraht 17 befestigt ist, der in einem Glasstiel 20 verankert ist, welcher seinerseits mit dem Kolbenhals abdichtend verbunden ist. Ein zweiter Zuführdraht 18 ist in dem Stiel eingebettet und, wie dargestellt, mit einem der Lichtbogenrohrelektroden 22 mittels eines Leiters elektrisch verbunden, der an einer Zuführanordnung befestigt ist, welche in der Preßdichtung eingebettet ist, die an diesem Ende des Lichtbogenrohres 12 gebildet ist. Der Stützrahmen 16 erstreckt sich längs der Seiten des Lichtbogenrohres, seine innere Enden liegen innerhalb des röhrenförmigen domartigen Endes 15 von äußerer Umhüllung oder Kolben 14. Das Lichtbogenrohr 12 ist innerhalb des Stützrahmens 16 mit Hilfe von Metallbändern 23 und 24 mechanisch befestigt, die an Seitenglieder des Rahmens angebracht sind und die Preßdichtungen des Lichtbogenrohrs in Eingriff nehmen. Der Rahmen 16 ist mit der anderen Hauptelektrode 25 über einen Leiter elektrisch angeschlossen, der an der LeitungsZuführungsanordnung befestigt ist, die in der zugehörigen Preßdichtung eingebettet ist. Eine Startelektrode 26 am gegenüberliegenden Ende des Lichtbogenrohrs ist mit Hilfe einer anderen Zuführeinrichtung und mittels eines anderen Leiters an einem Startwiderstand 27 angeschlossen, der mit einem angrenzenden Seitenteil des Stützrahmens in üblicher Weise in Verbindung steht. Die Zuführdrähte 17, 18 sind an einer geeigneten Fassung 21 angeschlossen, die am abgedichteten Hals des Kolbens 14 angebracht ist.

Das Lichtbogenrohr 12 enthält eine kleine Menge Quecksilber (beispielsweise 66 mg) sowie ein geeignetes Startgas wie Argon gemäß üblicher Herstellungsverfahren.

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Eine Modifikation des vom Quecksilberlichtbogenrohr 12 erzeugten Lichtes wird erfindungsgemäß mit Hilfe von zwei Schichten 29, aus ausgewähltem lumineszentem Material erreicht, die auf die innere Oberfläche des transparenten äußeren Kolbens 14 aufgebracht sind (in Fig. 2 in größeren Einzelheiten dargestellt).

Vor der Beschreibung der lichtmodifizierenden Beschichtungen sei noch die farbmodifizierte HPMV-Lampe des Standes der Technik erläutert, die zur Erlangung von Vergleichstestdaten verwendet wurde. Die bekannte Lampe, die für diesen Zweck ausgewählt wurde, war eine gemäß der US-Patentschrift 3 825 792 hergestellte Lampe. Sie besaß somit eine äußere Umhüllung, die zunächst mit einer Schicht aus nichtlumineszentem Material (wie beispielsweise Silika o. dgl.) und dann mit einer Leuchtstoffschicht beschichtet war, welche aus einer Mischung aus 70 bis 90 Gew% Yttriumvanadat-Leuchtstoff oder Yttriumphosphatvanadat-Leuchtstoff und 10 bis 30 Gew% Magnesiumfluorogermanat oder Magnesiumarsenat bestand. Zwar erzeugte diese Leuchtstoffkombination eine deutliche Verschiebung der Farbe des von der Lampe ausgesendeten Lichtes, was kommerziell sehr wünschenswert ist, jedoch haben Untersuchungen gezeigt, daß das Ausgangslicht immer noch zu reich an blauvioletter Emission (436 nm Wellenlängenbereich) und gelber Emission (578 nm Wellenlängenbereich) ist, wobei beide Wellenlängenbereiche vom Quecksilberlichtbogenrohr erzeugt werden. Die sich ergebenden FärbVerzerrungen bei der Beleuchtung von Gegenständen verhinderten, daß diese Lampen in großen Verkaufsräumen verwendet wurden, wo eine farbgetreue Wiedergabe sehr wichtig ist,

Die Verzerrung der verschiedenen Farben _f die entstehen, wenn Gegenstände von einer farbmodifizierten HPMV-Lampe gemäß der US-PS 3 825 792 (bei der die Silika-Beschichtung und eine Phosphat-Beschichtung 80 % Yttriumphosphatvanadat und 20 % Magnesiumfluorogermanat enthielten) und von einer Glühlampe mit einer Farbtemperatur von 2800 K beleuchtet werden _r sind in Fig, 3 grafisch dargestellt, Die Farbbänder der gleichen Testfarben_? die von einer Glühlampe erzeugt werden,, welche bei ihrer nor-

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malen Farbtemperatur von etwa 2800 K betrieben wird, sind durch das gestrichelt gezeichnete Achteck I wiedergegeben. Wie durch die Pfeile angedeutet wird, erzeugt die Farbwiedergabe der vorgenannten bekannten farbmodifizierten Lampe (verglichen mit der Glühlampe) sowohl bei den Goldfarben wie auch bei Gelbfarben eine starke Verschiebung ins Gelbgrüne, während die Blaufarben stark in Richtung Violett und die Rotfarben stark in Richtung Purpur verschoben sind. Zu einem geringeren Ausmaß wird Purpur in Richtung Violett verschoben und die grünlichen Blaugrünfarben in Richtung auf Grün. Während Blaugrünfarben und die Komplexfarben bezüglich des Farbtons korrekt sind, erscheinen sie doch etwas blasser als bei Glühlampenbeleuchtung.

Die Anwendung derartiger Farbdiagramme und Achtecke zur Darstellung der Farbwiedergabeeigenschaften verschiedener Lichtquellen ist bekannt. Die verschiedenen Achtecke oder "gamuts of coloration" werden dadurch erzeugt, daß die acht CIE-Testfarben verwendet werden, die in dem CRI-Verfahren angegeben sind (siehe die Veröffentlichung der International Commission of Illumination, die mit CIE Nr. 13, E-1.3.2, 1965, bezeichnet ist). Die acht Testfarben werden durch die zu untersuchende Lichtquelle beleuchtet und die ChromatiZitaten auf dem Farbdiagramm aufgetragen und Linien gezogen, die die angrenzenden Punkte miteinander verbinden, um ein Achteck zu erhalten, das für die Lichtquelle charakteristisch ist. Die Verwendung von u-, v-Farbdiagrammen und die Art und Weise, in der diese Dia«- gramme zu interpretieren sind, werden in der Veröffentlichung "Projective Transformations of ICI Color Specifications" von D. L. MacAdam beschrieben, veröffentlicht im Journal of the Optical Society of America, Band 27, S, 294, 1937,

Die von der bekannten farbmodifizierten HPMV-Lampe erzeugten F arbver ζ errungen (wie beispielsweise die_f die in der US-Patent"-schrift 3 825 792 beschrieben werden), werden erfindungsgemäß drastisch vermindert, indem die zwei getrennten Schichten 29 _f ausgewählter Leuchtstoffe benutzt werden, die auf die innere Oberfläche der äußeren Umhüllung 14 aufgebracht sind, Die aus-

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gewählten Leuchtstoffe setzen die von der Quecksilberentladung in bestimmten ungewünschten Wellenlängenbereichen erzeugten Strahlungen in sichtbare Strahlungen in anderen Wellenlängenbereichen um, die die Farbwiedergabe verbessern. Untersuchungen der spektralen Emissionseigenschaften bekannter leuchtstoffbeschichteter HPMV-Lampen zeigten, daß die Farbwiedergabeeigenschaften und die Chromatizität des Lichtausganges derartiger Lampen verbessert werden können, indem die Menge der blauvioletten Strahlungen und der gelben Strahlungen vermindert und die grünen und roten Emissionen erhöht werden. Die zwei Schichten 29, 30 aus Leuchtstoff kooperieren miteinander und erreichen diese Einstellung mit einem minimalen Lichtverlust und minimaler Wirkungsgradverschlechterung.

Die erste lumineszente Beschichtung 29, die direkt auf die innere Oberfläche der äußeren Umhüllung 14 (siehe Fig. 2) aufgebracht wird, ist eine Schicht, die hauptsächlich blauviolette von der Quecksilberlichtbogenröhre 12 erzeugte Strahlung absorbiert und von dieser angeregt wird, um grüne und rote Bereiche des Lichtspektrums auszusenden. Die zweite Beschichtung 30 aus lumineszentem Material, die über der ersten Beschichtung aufgebracht wird, absorbiert von dem Quecksilberlichtbogen erzeugte ultraviolette Strahlung und setzt diese in rote Emissionen um. Diese zweite Beschichtung läßt auch die vom Lichtbogenrohr erzeugte sichtbare Strahlung hindurch und ermöglicht so, daß die blauvioletten Emissionen die erste lumineszente Beschichtung treffen und anregen.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform umfaßt die erste lumineszente Beschichtung 29 eine Mischung aus grünemittierendem Leuchtstoff wie CaS;Ce und rotemittierendem Leuchtstoff wie CaS:Eu. Trivalentes Cerium und divalentes Europium als Aktivator en werden bevorzugt _f zusammen mit einem geeigneten Halid wie Chlor. Beide Leuchtstoffe absorbieren blauviolette Strahlung (380 bis 490 nm Wellenlängenbereich)„ Sie werden auch beide von Strahlungen im 254 nm Wellenlängenbereich (kurze uy

2+ lung) angeregt. Der rotemittierende CaSsEu "Leuchtstoff besitzt

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die weitere vorteilhafte Eigenschaft, daß er einen Teil des gelben Lichtes (560 bis 590 nm) absorbiert, das von der Quecksilberentladung erzeugt wird, um es in rote Strahlung umzusetzen und dadurch die Farbverzerrung weiter zu vermindern. Ein Bleikoaktivator wird vorzugsweise bei beiden Leuchtstoffen verwendet, da er ein zusätzliches Absorptionsband im langwelligen UV-Bereich (um 345 nm) erzeugt und dadurch den Leuchtstoffen ermöglicht, derartige UV-Strahlung, die vom Lichtbogenrohr erzeugt wird, ebenfalls in rote und grüne Strahlungen umzusetzen. Der Pb-Ko-

2+ aktivator kann durch Sn im rotemittierenden CaS:Eu -Leuchtstoff ersetzt werden, wenn dies gewünscht wird, um die Emissionseigenschaften weiter zu verbessern. Das Chlor kann auch durch Fluor, Brom oder Jod bei beiden Leuchtstoffen CaS:Eu und CaS:Ce ersetzt werden, ohne daß deren Wirkungsweise beeinträchtigt wird.

Als zweite lumineszente Beschichtung 30 dient ein Leuchtstoff, der Ultraviolettstrahlung absorbiert und sie in Rotstrahlung umsetzt. Yttriumvanadatphosphat-Leuchtstoff wird vorgezogen, da er Ultraviolettstrahlung im Wellenlängenbereich von 180 bis etwa 350 nm absorbiert und im Orangerotbereich (590 bis 710 nm) mit einer Emissionsspitze bei ungefähr 620 nm (hellrot) und mit einer schmaleren Spitze bei etwa 700 nm (tiefrot) emittiert. Derartige Leuchtstoffe sind bekannt und werden in ausgedehntem Umfang verwendet, um den Lichtausgang von Hochdruck-Quecksilber'-Lampen zu modifizieren. Tervalentes Europium wird als Aktivator vorzugsweise verwendet.

Die Phosphorbeschichtungen 29, 30 werden auf die äußere Umhüllung 14 gemäß üblicher Herstellungsverfahren für derartige Lampen aufgebracht. Als besonderes Beispiel wird ein Leuchtstoff CaS:Ce³⁺, Pb, Cl und ein Leuchtstoff CaS;Eu²⁺, Pb, Cl miteinander unter Anwendung eines geeigneten Bindemittels (wie beispielsweise Nitrozelluloselack) vermischt und die sich ergebende Aufschlämmung oder Farbe gemahlen und auf die innere Oberfläche der äußeren Umhüllung zur Bildung der lumineszenten Schicht 29 aufgebracht, und zwar in einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke, wonach die Schicht getrocknet wird. Der Yttriumvanadat-

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phosphat-Leuchtstoff wird dann mit einem geeigneten Bindemittel, beispielsweise Äthylzelluloselack, vermischt, um eine Farbe herzustellen, die nach Mahlen über der ersten Beschichtung aufgebracht wird, um eine zweite Beschichtung 30 aus lumineszentem Material zu bilden, die ebenfalls im wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist und die gleiche Ausdehnung aufweist, wie die erste Beschichtung. Die zweite Beschichtung wird dann getrocknet und der Kolben in üblicher Weise zur Beseitigung des Binders aus beiden Beschichtungen geglüht. Zwei getrennte Glühoperationen können ebenfalls angewendet werden.

Im Falle einer 400 W HPMV-Entladungslampe 10, die in Fig. 1 dargestellt ist und einen äußeren Kolben 14 von "BT37"-Bauart

ο mit einer inneren Oberfläche von annähernd 56 cm aufweist, wird eine Mischung hergestellt, die ungefähr gleiche Gewichtsmengen von ceriumaktiviertem Kalziumsulfid-Leuchtstoff und europiumaktiviertem Kalziumsulfid-Leuchtstoff aufwies. 1500 mg der sich ergebenden Leuchtstoffmischung wurde gleichförmig auf die Kolbenoberfläche aufgeschichtet, um eine Lumineszenzschicht

zu schaffen, die ungefähr 2 mg Leuchtstoff pro cm Kolbenoberfläche enthielt. Eine gleichförmige Beschichtung von 1000 mg Yttriumvanadatphosphat-Leuchtstoff wurde dann über der ersten Lumineszenzschicht aufgebracht, um eine zweite Schicht 30 zu

erhalten, die ungefähr 1,5 mg dieses Leuchtstoffes pro cm Kolbenoberfläche enthielt. Auf diese Weise erzeugte duale Leuchtstoffbeschichtungen besitzen Lichtfilterungs- und Strahlungsumsetzungseigengchaften, die die Farbtemperatur der Quecksilberlampe auf etwa 2700 K herabsetzen und einen Lichtausgang ermöglichen, dessen Chromatizität und Farbwiedergabeeigenschaften sehr ähnlich zu denen sind, die bei einer Glühlampenquelle mit gleicher Farbtemperatur erhalten werden.

Wenn das Gewichtsverhältnis von CaS;Ce zu CaS;Eu in der ersten Lumineazenzschicht von 1;1 auf 2;1 erhöht wird und die optischen Dichten der zwei Schichten in richtiger Weise angepaßt werden_f ist die Farbtemperatur der von der Lampe erzeugten Lichtemission nahe bei 2900 K, Das vorzugsweise Verfahren zur Erreichung von

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niedrigen Farbtemperaturen ist einfach die Anwendung eines 2:1-LeuchtstoffVerhältnisses und eine leichte Erhöhung der Dicke der ersten Lumineszenzschicht, um dessen Lichtfilterungseffekt zu erhöhen. Offensichtlich können unterschiedliche Leuchtstoffmengen in jeder Schicht benutzt werden/ abhängig von der genau gewünschten Farbtemperatur und dem Ausmaß der Farbmodifikation.

Die grünemittierenden und rotemittierenden Kalziumsulfid-Leuchtstoffe, die bei der oben beschriebenen 400 W-Lampenausführung angewendet werden, wurden folgendermaßen hergestellt: 300 g Kalziumkarbonat wurden mit 500 mg CeO₂ (oder 500 mg Eu₃O₃ im Falle des rotemittierenden Leuchtstoffs) gemischt und die sich ergebende Mischung in einem offenen Boot bei einer Temperatur von nahe 1100° C 1/2 Stunde lang unter Stickstoffatmosphäre gebrannt und dann eine weitere Stunde unter Wasserstoffsulfidatmosphäre. Die sich ergebende Zusammensetzung wurde pulverisiert und mit 690 mg Pb₃O., 15g NH.Cl und etwa 10 g Schwefel gemischt und in abgedeckten Röhren bei 1100° C 1 Stunde lang in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt. Das sich ergebende Material wurde pulverisiert, in einem Waring Blendor in NH₄F-AIkOhOllösung 30 s lang gemahlen, mehrfach in Methylalkohol gewaschen, in einem Vakuumtrichter über einem Papierfilter und dann in offener Luft getrocknet und schließlich durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 400 Tailormesh (0,036 mm Maschenweite) hindurchgegeben,

Die verbesserten Farbwiedergabeeigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten HPMV-Lampen sind in Fig. 4 grafisch wiederge·» geben. Die durch das mit durchgezogenen Linien dargestellte Achteck wiedergegebene Farbskala, mit HPMV II bezeichnet, ist ein Mittelwert der Farbwiedergabeeffekte, die durch zwei modifizierte 400 W-HPMV-Lampen erzeugt wurden, wie sie oben beschrieben wurden und die Farbtemperaturen von 2700 und 2900 K aufwiesen. Wie zu erkennen ist, paßt die Farbwiedergabe sehr gut zu der einer Glühlampe von gleicher Farbtemperatur (.28QO K) (die ent-r sprechende Farbskala I wird von der gebrochenen Linie definiert),

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Die Farbverschiebungen sind bei allen Farben bis auf eine (gelbgrün bis grün) sehr stark verbessert, genauso die Wiedergabe von Gold-, Blau- und Rotfarben. Die Blaugrün-, Rot- und Komplexionsfarben sind auch stärker gesättigt. Diese verbesserten Ergebnisse werden auch durch gutachtliche Beobachter visuell verifiziert, wobei Personen wie auch ausgewählte Gegenstände, z. B. Gewebe, Vorhänge, usw. benutzt wurden, welche die verschiedenen Farben, insbesondere Blau, Gold und Rot enthielten.

Farbmodifizierte HPMV-Lampen gemäß der Erfindung mit Leistungen von 400 W besitzen einen Wirkungsgrad, der von 40 bis 50 Lumen pro W reicht, abhängig von der Dicke und der Menge der in den zwei Lumineszenzschichten verwendeten Leuchtstoffe. Bei einer Glühlampe von einer Größe, die die verbesserte HPMV-Lampe ersetzen könnte, beträgt der Wirkungsgrad nur ungefähr 16 Lumen pro W.

Die vorgenannten ceriumaktivierten und europiumaktivierten Kalziumsulf idphosphore sind in der Technik bekannt und werden in dem bereits genannten US-Patent 3 898 174 beschrieben, wie auch in einem Artikel von dem Erfinder dieses Patentes, Lehmann,

3+ 2+

mit dem Titel "The Cathodoluminescence of CaS;Ce and CaSsEu Phosphors", Journal of the Electrochemical Society, Band 118, März 1971, S. 477 - 482; sowie "Activators and Coactivators In Calcium Sulfide Phosphors", Journal of Luminescence, Band 5, Mai 1972, S, 87 - 107, Gemäß der Lehren des vorgenannten US-Patentes wird der CaS;Ce -Leuchtstoff vorzugsweise sensibilisiert, um dessen Reaktion auf lange und kurze UV-Anregung zu verbessern, indem Zinn-, Blei- oder Kupferingredienzien mitverwendet werden.

Die Mischung von grün- und rotemittierenden Leuchtstoffen in der ersten Lumineszenzschicht 29 und des rotemittierenden Leuchtstoffs, der in der zweiten Lumineszenzschicht 30 bei der besonderen dargestellten Lampenausführungsform verwendet wird, absorbierte Ultraviolettstrahlung im Bereich von 180 bis 380 nm,, im Blauviolettbereich der Wellenlängen 380 bis 490 nm sowie

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im Gelbbereich von 560 bis 590 nm, welche Strahlung durch die Quecksilberlichtbogenentladung erzeugt wird, um diese in grüne und rote Strahlungen in den Wellenlängenbereichen 490 bis 560 und 610 bis 700 nm umzusetzen. Die sich ergebende Spektralverteilung des von der verbesserten HPMV-Lampe 10 erzeugten Lichtes ist in Fig. 5 dargestellt. Wie zu bemerken ist, besitzt der Lichtausgang der farbmodifizierten Lampe eine Grünemission, die nur geringfügig geringere Intensität besitzt, als die Gelbemission, des weiteren große Mengen Orangerotstrahlung und violettblaue und ultraviolette Komponenten, die weniger intensiv sind, als die grünen und roten Emissionsspitzen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen vorzugsweisen Leuchtstoffe begrenzt, die weiter oben in Verbindung mit der vorzugsweisen Ausführungsform beschrieben wurden. Jeder Leuchtstoff, der 436 nm (blauviolett) absorbiert und im grünen oder roten Bereich des Spektrums emittiert, kann als erste lumineszente Schicht 29 verwendet werden. Zusätzlich zu ceriumaktiviertem Kalziumsulfid und europiumaktiviertem Kalziumsulfid-Leuchtstoff, die bei der vorzugsweisen Ausführungsform verwendet wurden, könnte auch Magnesiumfluorogermanat-Leuchtstoff benutzt werden, obwohl seine Absorption von 436 nm ziemlich schwach ist und die rote Emission sich auf den längeren Wellenlängenbereich konzentriert. Ein anderer geeigneter Leuchtstoff zur

2+ Anwendung in dieser Schicht ist BaSr-Silikat:Eu , da dieser Leuchtstoff Strahlung von 436 nm ziemlich gut absorbiert und im grünen Teil des Spektrums emittiert. Somit kann die erste Lumineszenzschicht eine Mischung von zwei oder mehr irgendeiner dieser Leuchtstoffe umfassen.

Ein alternativer Leuchtstoff, der für die zweite Lumineszenzschicht 30 geeignet wäre, ist europiumaktivierter Yttriumvanadat-Leuchtstoff, da dessen Absorptions- und Emissionsspektren nahezu identisch sind mit denen des vorzugsweisen europiumaktivierten Yttriumvanadatphosphat-Leuchtstoffs.

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Als ein besonderes Beispiel für ein Herstellungsverfahren von

2+

BaSr-Silikat:Eu -Leuchtstoff, der als grünemittierender Leuchtstoff in der ersten Lumineszenzschicht geeignet ist, können 1,35 Mol Strontiumkarbonat, 0,6 Mol Bariumkarbonat, 1,0 Mol Siliziumsäure, 0,05 Mol Strontiumchlorid und 0,003 Mol Europiumoxid miteinander gemischt und zweimal bei einer Temperatur von etwa 1200° C für jeweils 1 Stunde in einer Stickstoffatmosphäre mit einem 10 %igen Wasserstoffgehalt gebrannt werden, woraufhin die sich ergebende Zusammensetzung gebrochen und gesiebt wird, um Teilchen von geeigneter Größe zu erhalten.

Die anderen alternativen Leuchtstoffzusammensetzungen sind dem Fachmann bekannt und ihre Eigenschaften sowie ihre Herstellungsverfahren sind in den verschiedenen Patenten und Veröffentlichungen beschrieben. Beispielsweise werden Fluorogermanat-Leuchtstoffe in Einzelheiten in der US-Patentschrift 2 748 303 und yttriumvanadatartige Leuchtstoffe in der von Luscher und Datta stammenden Publikation "Illumination Engineering", die bereits erwähnt worden ist, beschrieben.

ES/jn 3

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Claims

drying, c: RN ST Sl'RATMANN

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF I ■ SCHADOWPLAT2 9

Düsseldorf, 17. März 1978

46,710
7818

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Patent a η s ρ r ü c h e ;

Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe mit modifiziertem Lichtausgang zur Erreichung von Farbwiedergabeeigenschaften ähnlich denen einer Glühlampenquelle, bestehend aus einer Lichtbogenröhre, die Quecksilber sowie ein ionisierbares Füllgas enthält, einer lichtdurchlässigen äußeren Umhüllung, die von der Lichtbogenröhre im Abstand angeordnet ist und diese umgibt, Einrichtungen zur Stützung der Lichtbogenröhre in vorbestimmter Stellung innerhalb der äußeren Umhüllung, die auch einen elektrischen Schaltkreis bilden, um die Lichtbogenröhre mit einer Leistungsquelle zu verbinden, mit von der äußeren Umhüllung tragenden Einrichtungen zur Umsetzung von Strahlung bestimmter Wellenlänge, die von der Lichtbogenröhre erzeugt wird, in ausgewählte Strahlung größerer Wellenlänge zur Modifikation der Farbwiedergabeeigenschaften und der Chromatiζitat des von der Lichtbogenröhre erzeugten Lichtes, wenn die Lampe erregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtungen aus (a) einer ersten Schicht (29) lumineszenten Materials, die auf der inneren Oberfläche der äußeren Umhüllung (14) angeordnet ist und Strahlung im blauvioletten Bereich des von der Lichtbogenröhre (12) erzeugten Spektrums absorbiert und in Strahlung im grünen und roten Bereich umsetzt, und (b) einer zweiten Schicht (30) lumineszenten Materials besteht, die sich über der ersten Schicht (29)

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rosTSCHicK· IIRL1N WfST OLZ lOOlOOIO) 133730-109 ■ diutichi iank (BLZ 3ΟΟ7ΟΟ1Ο) 6I6O253

erstreckt und von der Lichtbogenröhre (12) erzeugte Ultraviolettstrahlung absorbiert und in Strahlungen im roten Bereich umsetzt, wobei die zweite Schicht (30) aus lumineszentem Material für von der Lichtbogenröhre (12) erzeugte blauviolette Strahlung durchlässig ist, so daß diese Strahlung mit der ersten Schicht (29) aus lumineszentern Material in Wechselwirkung treten und umgewandelt werden kann.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (29) aus lumineszentern Material blauviolette Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 380 bis 490 nm absorbiert und grüne Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 490 bis 560 nm und in rote Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 610 bis 700 nm umsetzt, und daß die zweite Schicht (30) aus lumineszentern Material ultraviolette Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 180 bis 380 nm absorbiert und in rote Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 610 bis 700 nm umsetzt.
3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (29) lumineszenten Materials auch gelbe Strahlung im Wellenlängenbereich von ungefähr 560 bis 590 nm absorbiert und in Strahlungen des Rotbereichs umsetzt,
4. Lampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (29) lumineszenten Materials eine Mischung aus zwei Leuchtstoffen umfaßt, von denen einer rote Strahlung und der andere grüne Strahlung emittiert,
5. Lampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (30) lumineszenten Materials einen rotemittierenden Leuchtstoff umfaßt,
6. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gemischte grünemittierende Leuchtstoff in der ersten Schicht (29) lumineszenten Materials zumindest ein Leuchtstgff aus ceriumaktiviertem Kalziumsulfid und europiumaktiviertem

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Bariumstrontiumsilikat und der gemischte rotemittierende Phosphor in der ersten Schicht (29) lumineszenten Materials zumindest ein Leuchtstoff aus europiumaktiviertem Kalziumsulfid und Magnesiumfluorogermanat darstellt.
7. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gemischte rotemittierende Leuchtstoff in der ersten Schicht

(29) europiumaktiviertes Kalziumsulfid ist, das Blei oder Zinn als Koaktivator enthält.
8. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rotemittierende Leuchtstoff in der zweiten Schicht (30) lumineszenten Materials zumindest ein Leuchtstoff aus europiumaktiviertem Yttriumvanadat und europiumaktiviertem Yttriumvanadatphosphat ist.
9. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (29) lumineszenten Materials eine im wesentlichen gleichförmige Leuchtstoff beschichtung von gemischtem grünemittierendem CaSrCe ,

2+ Pb, Cl und rotemittierendem CaS:Eu , Pb, Cl darstellt, die sich über im wesentlichen die gesamte innere Oberfläche der äußeren Umhüllung (14) erstreckt, und daß die zweite Schicht (30) lumineszenten Materials eine zweite im wesentlichen gleichförmige Leuchtstoffbeschichtung aus europiumaktiviertem yttriumvanadatphosphat besteht, die im wesentlichen die gleiche Ausdehnung aufweist, wie die erste Leuchtstof fbeschichtung .
10. Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die

äußere Umhüllung (14) transparent ist, daß das Verhältnis

3+ 2+

von CaS:Ce , Pb, Cl zu CaS;Eu , Pb Cl in der ersten Leuchtstof fbeschichtung ungefähr 1;1 (gewichtsmäßig) beträgt, und daß die optischen Dichten von erster und zweiter Leuchtstof fbeschichtung (29, 30) derart korreliert sind, daß die Färbtemperatur der von der Lampe (10) erzeugten Lichtemission ungefähr 2700 K beträgt.

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11. Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das

3+ 2+

Verhältnis von CaS:Ce , Pb, Cl zu CaStEu , Pb, Cl in der ersten Leuchtstoffbeschichtung (29) ungefähr 2:1 (gewichtsmäßig) beträgt, und daß die optischen Dichten von erster und zweiter Phosphorbeschichtung (29, 30) so korreliert sind, daß die Parbtemperatur der von der Lampe (10) erzeugten Lichtemission ungefähr 2900 K beträgt.

Be s ehreibung i

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