DE2819614C2

DE2819614C2 - Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe

Info

Publication number: DE2819614C2
Application number: DE2819614A
Authority: DE
Inventors: Marinus G A Tak; Robert C Peters
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1988-10-06
Also published as: GB1598946A; BE866743A; JPS611262U; IT1096267B; FR2390000B1; CA1112285A; DE2819614A1; JPS53139381A; US4166234A; NL7705030A; NL182998C; IT7822989A0; FR2390000A1; JPH0126038Y2

Description

Die Erfindung betrifft eine Niederdruchquecksilberdampfentladungslampe mit einer Leuchtstoffschicht, die mindestens einen Leuchtstoff aus der Gruppe der mit dreiwertigem Europium aktivierten Seltenerdoxide, der mit Cer oder mit Cer und Terbium aktivierten Seltenerd-Magnesium-Aluminate mit hexagonaler Kristallstruktur und der mit zweiwertigem Europium oder mit zweiwertigem Europium und zweiwertigem Mangan aktivierten Erdalkali-Magnesium-Aluminate mit hexagonaler Kristallstruktur enthält, wobei der Leuchststoff aus einem feinkörnigen Material besteht.

Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen sind allgemein bekannte Strahlungsquellen, die sehr häufig sowohl für allgemeine Beleuchtungszwecke als auch für besondere Anwendungen, wie zum Beeinflussen photochemischer Prozesse, benutzt werden. Diese Lampen sind meistens mit einem oder mehreren Leuchtstoffen versehen, die aus einem feinkörnigen Pulver bestehen, das als eine zusammenhängende, haftende Schicht auf einem Träger, meistens auf der Wand der Lampem, angebracht ist.

Bekannte, sehr wirksam rot leuchtende Stoffe sind die mit dreiwertigem Europium aktivierten Seltenerdoxide. Diese Stoffe entsprechen der Formel Ln₂O₃, wobei Ln mindestens eines der Elemente Yttrium, Gadolinium und Lutetium darstellt und wobei ein Teil, beispielsweise 0,1 bis 10 Mol% des mit Ln bezeichneten Elements, durch Europium ersetzt ist. Lampen, die neben anderen Leuchtstoffen ein derartiges leuchtendes Seltenerdoxid enthalten, sind beispielsweise aus der DE-OS 24 46 479 bekannt.

Eine Gruppe äußerst wirksamer Leuchtstoffe wird durch die mit Cer oder mit Cer und Terbium aktivierten Seltenerd-Magnesium-Aluminate mit hexagonaler Kristallstruktur gebildet. Diese Stoffe, die aus der DE-OS 23 53 943 bekannt sind, können durch die Formel LaMgAl₁₁O₁₉ dargestellt werden. Bei der Aktivierung mit Cer wird ein Teil des Lanthans durch Cer ersetzt und man bekommt einen im nahen Ultraviolettbereich des Spektrums strahlenden Stoff. Bei der Aktivierung sowohl mit Cer als auch mit Terbium wird das Lanthan, vorzugsweise vollständig, durch die erwähnten Aktivatoren ersetzt. Diese Stoffe zeigen bei Anregung eine äußerst wirksame grüne Strahlung.

Aus der erwähnten DE-OS 23 53 943 sind weiterhin mit zweiwertigem Europium oder mit zweiwertigem Europium und zweiwertigem Mangan aktivierte Erdalkali-Magnesium- Aluminate mit hexagonaler Kristallstruktur bekannt. Diese Aluminate enthalten als Erdalkalimetall Barium und/oder Strontium und können aus Mischungen von BaO und/oder SrO, MgO und Al₂O₃ (oder Verbindungen, die diese Oxide ergeben) mit ziemlich weit auseinandergehenden Zusammensetzungen gebildet werden. Im allgemeinen ist jedoch in diesen Aluminaten der Molbruchteil an Aluminium größer als das 1,8fache des Molbruchteils an Magnesium und auch größer als das 3,7fache des Molbruchteils an Barium und/oder Strontium. Bei der Aktivierung mit zweiwertigem Europium, das einen Teil des Erdalkalimetalls ersetzt, erhält man einen wirksamen blau leuchtenden Stoff. Bei der Aktivierung sowohl mit zweiwertigem Europium als auch mit zweiwertigem Mangan, wobei das Mangan einen Teil des Magnesiums ersetzt, bekommt man abhängig vom Eu : Mn-Verhältnis die Europium-Blaulumineszens zusammen mit dem grünen Lumineszenzband des Mangans oder nur die grüne Manganlumineszens.

Die erwähnten Leuchtstoffe haben gemeinsam, daß sie eine hohe Ausbeute besitzen, wodurch sie mit großem Vorteil in Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen verwendet werden können, in denen sie sehr hohe Lichtströme auslösen. Eine besonders vorteilhafte Verwendung ist aus der DE-OS 24 46 479 bekannt, in der Lampen beschrieben sind, die sowohl ein rot leuchtendes Oxid als auch ein grün leuchtendes, mit Ce und Tb aktiviertes Aluminat und ein blau leuchtendes, mit zweiwertigem Europium aktiviertes Aluminat enthalten. Diese für allgemeine Beleuchtungszwecke benutzten Lampen senden weißes Licht aus, wobei man neben einer sehr guten Farbwiedergabe auch einen sehr hohen Lichtstrom erreicht. Weiterhin bekommt man einen nur geringen Rückgang des Lichtstroms während der Lebensdauer der Lampen.

Es ist bekannt, daß man die Gewichtsanteile an feinen und äußerst feinen Körnern in Leuchstoffpulvern beschränken muß. Es wird nämlich vorausgesetzt, daß feine Körner bei der Verwendung der Leuchtstoffpulver in Lampen Verluste an Strahlung durch Reflexion verursachen. Weiterhin hat sich herausgestellt, daß äußerst feine Körner im Vergleich zu groben Körner eine reaktivere Oberfläche besitzen, wodurch sie leichter angegriffen werden können, so daß ihr Beitrag zum Lichtstrom während der Lebensdauer der Lampen schnell geringer wird. Hinzu kommt, daß feine Körner eine große spezifische Oberfläche der Leuchtstoffschicht verursachen, wodurch ein möglicher Angriff gefördert wird. Bisher hat man deshalb im allgemeinen bei Leuchtstoffen für Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen das Auftreten von Körnern mit einer Größenordnung von 5 µm und darunter möglichst vermieden. Aus der US-PS 32 55 373 ist es beispielsweise bekannt, leuchtende Halophosphate, eine Gruppe bisher in Lampen sehr häufig angewandter Leuchtstoffe, zu verwenden, die nahezu keine Körner mit einer Größe unter 4 µm enthalten.

Die GB-PS 944 725, die US-PS 29 62 616 und die DD-PS 21 147 befassen sich ebenfalls im wesentlichen mit leuchtenden Halophosphaten. Aus der GB-PS 944 725 ist es bekannt, Körner mit weniger als 3 bis 5 µm Durchmesser aus dem Leuchtstoff zu entfernen oder die Anwesenheit derartiger Körner im Leuchtstoff zu vermeiden, um die Lichtausbeute von Lampen zu erhöhen. Das Maximum der Korngrößenverteilung dieser Leuchtstoffe liegt bei 6 bis 8 µm.

Aus der US-PS 29 62 616 ist es bekannt, daß Körner mit einer Größe unterhalb 3 µm einen schädlichen Einfluß auf die Ausbeute und die Helligkeit von Leuchstoffschichten haben, weshalb hauptsächlich Korngrößen zwischen 3 und 30 µm Verwendung finden sollen.

Aus der DD-PS 21 147 ist ein Leuchtstoffpulver bekannt, das frei von Feinstanteilen unterhalb einer Korngröße von 2,5 bis 3 µm ist. Die obere Grenze der Korngröße soll bei 15 µm liegen, d. h. das Pulver soll höchstens 5 Gew.-% Anteile mit einer Korngröße von mehr als 15 µm enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lampen der eingangs erwähnten Art mit noch höherem Lichtstrom und noch geringerem Rückgang des Lichtstroms während der Lebensdauer zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe der eingangs erwähnten Art höchstens 5 Gew.-% des Leuchtstoffes eine Korngröße unter 1 µm besitzt und daß das Maximum der Korngrößenverteilungskurve des Leuchtstoffes im Korngrößenbereich von 2 bis 4 µm liegt.

Die erfindungsgemäße Lampe enthält einen Leuchtstoff, dessen Menge an äußerst feinen Körnern mit Korngrößen im Untermikrometerbereich (unter 1 µm) sich auf höchstens 5 Gew.-% der Gesamtmenge dieses Leuchtstoffes beschränkt. Unter der Korngröße eines Kornes sei hier der mittlere Durchmesser des Kornes verstanden, d. h. die Korngröße eines bestimmten Kornes eines bestimmten Leuchtstoffes ist gleich dem Durchmesser eines kugelförmigen Kornes des gleichen Stoffes mit gleichem Gewicht. Außer der hier gestellten Bedingung hinsichtlich des Gewichtsanteils an äußerst feinem Pulver entspricht der Leuchtstoff in der erfindungsgemäßen Lampe noch der Bedingung, daß das Maximum der Korngrößenverteilungskurve zwischen 2 und 4 µm liegt. Unter der Korngrößenverteilungskurve sei die Linie verstanden, die in einer graphischen Darstellung die Punkte miteinander verbindet, die die Größe der Gewichtsanteile des Pulvers in den verschiedenen Teilen des gesamten Korngrößenbereichs angeben.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß man in erfindungsgemäßen Lampen ohne weiteres, namentlich ohne Lichtstromverluste, große Kornmengen in den verhältnismäßig feinen Korngrößen von 1 bis 2 µm und von 2 bis 4 µm zulassen kann. Wesentlich dabei ist jedoch, daß der Gewichtsanteil der Körner im Untermikrometerbereich höchstens 5 Gew.-% beträgt. Die Verwendung von Leuchtstoffen mit vielen Körnern in den erwähnten verhältnismäßig feinen Korngrößen bietet sogar große Vorteile, wie nachstehend noch erläutert wird. Weiterhin wurde gefunden, daß die verhältnismäßig feinen Körner in den Lampen keinen größeren Rückgang im Lichtstrom verursachen, was nicht zu erwaren war. Die Verwendung verhältnismäßig feiner Pulver in den erfindungsgemäßen Lampen ergibt sich aus der oben angegebenen Bedingung für das Maximum der Korngrößenverteilungskurve und bietet den großen Vorteil, daß eine wesentliche Kostenersparnis erreicht wird. Bei der Verwendung eines feinen Pulvers kann man nämlich im Vergleich zu einem groben Pulver mit einem geringeren Bedeckungsgewicht der Leuchtstoffschicht in der Lampe auskommen. Man kann dabei mit einer geringeren Menge des Leuchtstoffes pro Lampe eine optimale Leuchtstoffschicht bilden, die alle in der Lampe erzeugten Ultraviolettstrahlen absorbiert.

In der erfindungsgemäßen Lampe beträgt der Gewichtsanteil des Leuchststoffes mit einer Korngröße unter 1 µm höchstens 5 Gew.-%, weil größere Mengen eine bedeutende Verringerung des von der Lampe ausgesandten Lichtstroms verursachen. Im allgemeinen besitzen die Leuchtstoffe, die für die Verwendung in erfindungsgemäßen Lampen in Betracht kommen, eine Korngrößenverteilung, die diese Bedingung nicht erfüllt, wenn man keine besonderen Maßnahmen bei der Herstellung dieser Stoffe trifft. Dies gilt insbesondere für die leuchtenden Seltenerdoxide wie Y₂O₃ (Eu), das beispielsweise 20 Gew.-% an Körnern mit einer Größe unter 1 µm enthalten kann. In derartigen Fällen muß man den Untermikrometeranteil des Leuchtstoffes beispielsweise durch Sedimentierung oder durch Schleudern in einem solchen Ausmaß abtrennen, daß der Bedingung entsprochen wird.

Bevorzugt werden Lampen nach der Erfindung, in denen höchstens 1 Gew.-% des Leuchtstoffes eine Korngröße unter 1 µm besitzt. Dabei werden nämlich die höchsten Lichtströme erhalten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe ist dadurch gekennzeichnet, daß höchstens 25 Gew.-% des Leuchtstoffes eine Korngröße über 15 µm besitzt. Eine derartige Beschränkung der Menge gröberer Körner hat eine Herabsetzung des Bedeckungsgewichts der Leuchtstoffschicht in den Lampen mit den damit verknüpften wirtschaftlichen Vorteilen zur Folge. Außerdem bietet dies den Vorteil, daß diese Pulver leichter zu einer Suspension, die meistens zum Anbringen der Leuchtstoffschicht in der Lampe erforderlich ist, verarbeitet werden können. Schließlich erhält man mit Pulvern, die wenig grobe Körner enthalten, eine homogene Leuchtstoffschicht, was dem Äußeren der Lampen zugute kommt. Auch zeigt es sich, daß ein guter Schichtaufbau den Rückgang des Lichtstromes, insbesondere auf längere Frist, herabsetzt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung und einer Anzahl von Ausführungsbeispielen und Messungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch und im Schnitt eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe und

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung den Lichtstrom von Lampen mit leuchtendem Y₂O₃ (Eu) als Funktion des Gewichtsprozentsatzes an Körnern mit einer Größe unter 1 µm.

In Fig. 1 ist 1 die Glaswand einer Lampe. An den Enden der Lampe befinden sich Elektroden 2 und 3, zwischen denen im Betrieb der Lampe die Entladung erfolgt. Die Lampe ist mit einer Edelgasmischung als Zündgas und weiterhin mit einer geringen Quecksilbermenge gefüllt. An der Innenseite ist die Wand 1 mit einer Leuchtstoffschicht 4 bedeckt, die einen der nachstehend genannten Leuchtstoffe enthält. Dieser Stoff kann auf eine übliche Weise auf der Wand 1 angebracht werden, beispielsweise mittels einer Suspension.

Um den Einfluß des Gewichtsprozentsatzes an Körnern unter 1 µm auf den Lichtstrom in Lampen zu untersuchen, wurden Lampen vom üblichen 40W-Typ hergestellt, die alle ein rot leuchtendes Oxid der Formel Y_1,905Eu_0,095O₃ enthielten. Die dabei benutzten leuchtenden Oxide hatten eine verschiedene Korngrößenverteilung, sie besaßen jedoch, gemessen am Pulver, nahezu die gleiche Quantenausbeute. Ergebnisse von Messungen des Lichtstroms nach 100 Brennstunden dieser Lampen sind in Fig. 2 in Form einer graphischen Darstellung angegeben. Auf der horizontalen Achse ist die Menge P an Körnern unter 1 µm (in Gew.-%) und auf der vertikalen Achse der Lichtstrom L (in Lm/W) aufgetragen. Aus der graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß eine Beschränkung von P auf höchstens 5 Gew.-% einen deutlichen Gewinn im Lichtstrom ergibt. Auch stellt sich klar heraus, daß Werte von P unter 1 Gew.-% den Vorzug haben.

Ein derartiger Effekt tritt auch bei Lampen mit einem grün leuchtenden Aluminat der Formel Ce_0,67Tb_0,33Mg Al₁₁O₁₉ auf. Dies ist aus den in nachstehender Tabelle zusammengestellten Meßwerten an 40W-Lampen mit einem derartigen Aluminat ersichtlich.

Gew.-% <1 µmLm/W

0,5116,8 1115,3 4113,8 12,5107,7

Vergleichbare Ergebnisse wurden mit Lampen mit einem blau aufleuchtenden Aluminat der Formel BA_0,9Eu_0,1Mg Al₁₀O₁₇ erhalten:

Gew.-% <1 µmrelativer Lichtstrom

1116 2115 3113,8

Um den Einfluß der Größe des Gewichtsanteils des Leuchtstoffes über 15 µm auf das Bedeckungsgewicht der Leuchtstoffschichten zu untersuchen, wurden wiederum mehrere Lampen vom üblichen 40W-Typ hergestellt und mit leuchtendem Y₂O₃ (Eu) mit verschiedenen Korngrößenverteilungen versehen. In nachstehender Tabelle wird für diese Lampen das Bedeckungsgewicht (Gramm/Lampe) angegeben, das zur Bildung einer optimalen Schicht bei den verschiedenen Gewichtsprozentsätzen über 15 µm (Gewichtsprozent < 15 µm) erforderlich ist.

Gew.-% < 15 µmGramm/Lampe

2,1 4,05 8 5,60 18 6,95 32 7,55 34 8,10 43 8,85 7110,40

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß man wesentliche Ersparnisse an Leuchtstoff durch Beschränkung des Gewichtsprozentsatzes über 15 µm erreichen kann.

Auch für das grüne mit Ce und Tb aktivierte Aluminat wurde der Einfluß des Gew.-% < 15 µm auf das Bedeckungsgewicht untersucht:

Gew.-% < 15 µmGramm/Lampe

23,56 6,53,75 174,17 34,57,00

Ein geringer Prozentsatz an Körnern mit einer Größe über 15 µm übt auch einen vorteilhaften Einfluß auf den Rückgang des Lichtstroms der Lampe aus. An Lampen, wiederum mit Y₂O₃(Eu) mit verschiedenen Korngrößenverteilungen versehen, wurde der Lichtstrom nach 100 und 1000 Betriebsstunden gemessen. Der Rückgang im Lichtstrom Δ L (100-1000 h) in % ist in nachstehender Tabelle angegeben.

Gew.-% < 15 µmL (100-1000 h) in %

5,62,0 12,42,3 30,63,7 354,2 434,9 606,5

Schließlich sei bemerkt, daß zur Bestimmung von Korngrößenverteilungen und Gewichtsanteilen der Leuchtstoffe in bestimmten Korngrößenbereichen ein Photosedimentomeßgerät der Firma Leitz (nähere Beschreibung in W. Batel "Einführung in die Korngrößenmeßtechnik" Berlin 1964) benutzt wurde. In diesem Gerät wird die Übertragung von Licht durch eine sich absetzende Suspension des zu untersuchenden Pulvers auf photoelektrische Weise als Funktion der Zeit bestimmt. Daraus lassen sich die verschiedenen Korngrößenanteile berechnen. Die benutzte Suspension besteht aus etwa 25 bis 30 Milligramm des zu untersuchenden Stoffes in 10 ml 0,001 molarer Natriumpyrophosphatlösung. Zum Herstellen dieser Suspension wird ein Ultraschallbad benutzt.

Claims

1. Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einer Leuchtstoffschicht, die mindestens einen Leuchtstoff aus der Gruppe der mit dreiwertigem Europium aktivierten Seltenerdoxide, der mit Cer oder mit Cer und Terbium aktivierten Seltenerd-Magnesium-Aluminate mit hexagonaler Kristallstruktur und der mit zweiwertigem Europium oder mit zweiwertigem Europium und zweiwertigem Mangan aktivierten Erdalkali-Magnesium-Aluminate mit hexagonaler Kristallstruktur enthält, wobei der Leuchtstoff aus einem feinkörnigen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens 5 Gew.-% des Leuchtstoffes eine Korngröße unter 1 µm besitzt und daß das Maximum der Korngrößenverteilungskurve des Leuchtstoffes im Korngrößenbereich von 2 bis 4 µm liegt.

2. Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens 1 Gew.-% des Leuchtstoffes eine Korngröße unter 1 µm besitzt.

3. Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß höchstens 25 Gew.-% des Leuchtstoffes eine Korngröße über 15 µm besitzt.