DE69215655T2

DE69215655T2 - Niederdruckquecksilberentladungslampe

Info

Publication number: DE69215655T2
Application number: DE69215655T
Authority: DE
Inventors: Ridder Adriaan J De; Bruno Maria J Smets; Der Linden G H Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: EP0552513A1; DE69215655D1; CN1079075A; EP0552513B1; KR930017075A; JPH05334999A; ES2096710T3; CN1053525C

Description

Die Erfindung betrifft ein Niederdruck-Quecksilberendadungslampe mit Emissionsmaxima in drei Spektralbereichen, die mit einem gasdichten, strahlungsdurchlässigen Entladungsgefäß mit einer Quecksilber und Edelgas enthaltenden Gasfüllung versehen ist und mit einer Leuchtschicht, die zumindest einen ersten Leuchtstoff mit einem Emissionsmaximum im Bereich 590-630 nm und einen zweiten Leuchtstoff mit einem Emissionsmaximum im Bereich 520-565 nm umfaßt.
Niederdruck-Quecksilberentladungslampen mit Emissionsmaxima in drei Spektralbereichen sind aus der US-Patentschrift 4.176.294 und der niederländischen Patentschrift 164.697 bekannt. Diese Niederdruck-Quecksilberentladungslampen werden häufig für Allgemeinbeleuchtung verwendet und haben den Vorteil, daß sie sowohl eine gute allgemeine Farbwiedergabe (Farbwiedergabe-Index R(a,8) von zumindest 80) als auch eine hohe Lichtausbeute aufweisen (bis zu Werten von 90 lm/W und höher). Dies ist möglich, weil die Emission dieser Niederdruck-Quecksilberentladungslampen Maxima in drei Spektralbereichen hat. Um dies zu erreichen, umfassen die Quecksilberentladungslampen einen ersten (rot) leuchtenden Stoff mit einem Emissionsmaximum im Bereich 590-630 nm und einen zweiten (grün) leuchtenden Stoff mit einem Emissionsmaximum im Bereich 520-565 nm. Die benötigte Emission im dritten Spektralbereich, d.h. dem Bereich 430-490 nm, wird in vielen Fällen von einem dritten (blau) leuchtenden Stoff geliefert. Die von der Quecksilberdampfentladung selbst emittierte sichtbare Strahlung liefert jedoch auch einen Beitrag (d.h. die Emission der 436-nm-Quecksilberlinie) in diesem Spektralbereich, so daß das Vorhandensein eines blau leuchtenden Stoffes in der Leuchtschicht nicht immer notwendig ist. Die Niederdruck-Quecksilberentladungslampen emittieren bei einer gegebenen Farbtemperatur weißes Licht, d.h. der Farbpunkt (x, y in der IEC-Farbtafel) der emittierten Strahlung liegt auf oder nahe dem Planckschen Kurvenzug. Zusätzlich zu den an die Leuchtschicht hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften bezüglich der Farbtemperatur des von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ausgestrahlten Lichtes, der Farbwiedergabe und der Lichtausbeute zu stellenden Anforderungen ist es auch erforderlich, daß die Leuchtschicht Substanzen umfaßt, die eine geringe Kurzzeitlichtabnahme aufweisen (d.h. die Stoffe nehmen keinen oder nur wenig Schaden bei Bestrahlung mit kurzwelliger Ultraviolett-Strahlung, insbesondere Strahlung von 185 nm), während eine Qualitätsabnahme der Leuchtschicht beim Lampenbetrieb so langsam verläuft, daß die Lebensdauer der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe dabei kaum beeinflußt wird und die mit der Leuchtschicht zusammenhängenden Lampenkenngrößen während der Lebensdauer der Lampe keinen größeren Änderungen unterliegen. Wegen dieser an die Leuchtschicht zu stellenden Anforderungen gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Leuchtstoffen, die für eine Verwendung in dieser Schicht geeignet sind. Dies gilt insbesondere, wenn die Niederdruck- Quecksilberentladungslampe beim Lampenbetrieb hoch belastet wird (die von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe in der Entladungssäule aufgenommene Leistung ist größer als 500 W pro m² Oberfläche der Leuchtschicht). Grün leuchtende Stoffe, die in der Praxis häufig verwendet werden, sind mit Terbium aktiviertes Cer-Magnesiumaluminat (CAT) und mit Gadolinium und Terbium aktiviertes Cer-Magnesiumpentaborat (CBT). Diese Stoffe erfüllen die oben genannten widersprüchlichen Anforderungen gut und sind für eine Verwendung in den Leuchtschichten sowohl niedrig belasteter als auch hoch belasteter Niederdruck-Quecksilberentladungslampen geeignet. Ein Nachteil ist jedoch, daß die Selbstkosten dieser Stoffe verhältnismäßig hoch sind, so daß die Selbstkosten der Leuchtschicht und damit auch die Selbstkosten der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nachteilig beeinflußt werden.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Niederdruck-Quecksilberentladungslampe der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, bei der die Leuchtschicht sehr günstige Eigenschaften hat, während gleichzeitig die Selbstkosten der Leuchtschicht verhältnismäßig niedrig sind.
Eine erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ist hierzu dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leuchtstoff durch die Formel
Sr(2-x-y)BaxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y,
definiert wird, mit 0,2 ≤ x ≤ 1 4 und 0,0005 ≤ y ≤ 0,05.
Es hat sich gezeigt, daß eine erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberentladungslampe günstige Eigenschaften hinsichtlich des Farbpunktes des von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ausgestrahlten Lichtes, der Farbwiedergabe, Lichtausbeute, und der Qualitätsabnahme der Leuchtschicht sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Belastungen hat. Weiterhin ist Sr(2-x-y)BaxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y (mit 0,2 ≤ x ≤ 1,4 und 0,0005 ≤ y ≤ 0,05), im weiteren als BOSE bezeichnet, erheblich preisgünstiger als CAT oder CBT. Ein weiterer erstaunlicher Vorteil der Verwendung von BOSE ist, daß häufig die Menge des ersten Leuchtstoffes in der Leuchtschicht verhältnismäßig klein gewählt werden kann, ohne daß die günstigen Eigenschaften der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe verloren gehen. Da in der Praxis der erste Leuchtstoff häufig die teuerste Komponente der Leuchtschicht ist, bedeutet dies eine weitere Verringerung der Selbstkosten der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe.
Es sei bemerkt, daß mit zweiwertigem Europium aktivierte Stoffe, die ein Grundgitter Me&sub2;SiO&sub4; haben (mit Me gleich Sr und/oder Ba), als Leuchtstoff an sich aus der US-Patentschrift 3.505.240 bekannt sind. In dieser Patentschrift wird jedoch die Verwendung solcher Stoffe in der Leuchtschicht einer Niederdruck-Quecksilberentladungslampe mit Emissionsmaxima in drei Spektralbereichen nicht erwähnt. Sowohl in der niederländischen Patentschrift 164.697 als auch in der US-Patentschrift 4.176.294, beide oben genannt, wird behauptet, daß Niederdruck-Quecksilberentladungslampen mit hoher Lichtausbeute nur dann eine gute Farbwiedergabe aufweisen, wenn keine oder eine sehr geringe Überlappung zwischen den Emissionsbanden des ersten, des zweiten und des dritten Leuchtstoffes auftritt. Falls jedoch BOSE der zweite Leuchtstoff ist, ist diese Forderung nicht erfüllt, weil insbesondere für verhältnismäßig niedrige Werte von x die Emission von BOSE sowohl im Bereich 430-490 nm als auch im Bereich 590- 630 nm einen verhältnismäßig großen Anteil des gesamten Emissionsbereichs von BOSE bildet. Eine erhebliche Überlappung zwischen den Emissionsbanden der Leuchtstoffe ist die Folge. Angesichts dieses Hintergrundes ist es sehr erstaunlich, daß die Verwendung von BOSE als zweiter Leuchtstoff in der Leuchtschicht einer Niederdruck-Quecksilberentladungslampe zu einer guten Farbwiedergabe führt, während gleichzeitig eine hohe Lichtausbeute erhalten bleibt.
Es hat sich gezeigt, daß die Wellenlänge λmax, bei der maximale Emission erfolgt, in dem gewünschten Bereich liegt, wenn 0,2 ≤ x ≤ 1,4 Es hat sich gezeigt, daß der Wert von λmax, bei zunehmendem Wert von x von ungefähr 565 nm (für x = 0,2) auf ungefahr 520 nm (für x = 1,4) abnimmt.
Wenn y einen Wert unter 0,0005 hat, hat der Leuchtstoff eine ungenügende Absorption für die austretende Strahlung, so daß für praktische Anwendungen zu kleine Lichtströme erhalten werden. Werte von y oberhalb 0,05 führen in solchem Maße zu Konzentrationslöschen, daß ebenfalls unzureichende Lichtströme erhalten werden. Solche Zusammensetzungen von BOSE sind daher für eine Verwendung in einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nicht geeignet.
Außer der Wellenlänge λmax hängt auch die Halbwertsbreite der Emissionskurve (= die Breite auf halber Höhe der Emissionskurve) von x ab. Die Eigenschaften des Leuchtstoffes werden sowohl von λmax als auch der Halbwertsbreite des Emissionspeaks bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß BOSE in Kombination mit einem rot leuchtenden Stoff zum Bilden einer Leuchtschicht mit sehr guten Eigenschaften sehr geeignet ist, wenn x zwischen 0,35 und 0,60 gewählt wird, so daß ein λmax-Wert zwischen 550 nm und 538 nm und eine Halbwertsbreite der Emissionskurve zwischen 109 nm und 94 nm realisiert werden. Der Farbpunkt des von dieser Leuchtschicht emittierten Lichtes kann so eingestellt werden, daß er infolge einer geeigneten Wahl des Mischungsverhältnisses in der IEC-Farbtafel auf oder in nur geringem Abstand vom Planckschen Kurvenzug liegt. Wenn auch ein blau leuchtender Stoff mit einer maximalen Emission im Bereich 430-490 nm in der Leuchtschicht aufgenommen wird, ist es möglich, den Farbpunkt des von der Leuchtschicht emittierten Lichtes durch Wahl des Mischungsverhältnisses innerhalb eines günstigen Bereichs der IEC-Farbtafel einzustellen. Insbesondere kann weißes Licht in einem großen Bereich von Farbtemperaturen erhalten werden. Lampen mit BOSE, bei denen x im Bereich 0,35 ≤ x ≤ 0,60 liegt, werden daher auch bevorzugt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ist dadurch gekennzeichnet, daß 0,01 ≤ y ≤ 0,03. Eine gute Quantenausbeute (Anzahl von einem Leuchtstoff ausgestrahlter Photonen sichtbaren Lichtes pro absorbiertem Ultraviolett-Photon) wurde für diesen Eu+²- Aktivatorgehalt in BOSE gefunden, auch wenn die Niederdruck-Quecksilberentladungslampe hoch belastet ist. Wenn der Aktivatorgehalt erhöht wird, ist eine der Auswirkungen, daß die Empfindlichkeit des Leuchtstoffes gegenüber Oxidation stark zunimmt, was die Verarbeitbarkeit des Leuchtstoffes negativ beeinflußt.
Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von mit dreiwertigem Europium aktiviertem Seltenerdmetalloxid als erster Leuchtstoff und/oder die Verwendung eines mit zweiwertigem Europium aktivierten Stoffes als dritter Leuchtstoff in einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberentladungslampe eine verhältnismäßig hohe Lichtausbeute und eine sehr gute Farbwiedergabe ergibt. Dies gilt beispielsweise für die Verwendung von mit dreiwertigem Europium aktiviertem Yttriumoxid als erstem Leuchtstoff. Mit zweiwertigem Europium aktivierte Stoffe, mit denen gute Ergebnisse erhalten werden, sind unter anderem Erdalkalialuminate und Erdalkalimagnesiumaluminate.
Eine spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Niederdruck- Quecksilberentladungslampe ist dadurch gekennzeichnet, daß die von der Niederdruck- Quecksilberentladungslampe in der Entladungssäule aufgenommene Leistung mehr als 500 Watt pro m² Oberfläche der Leuchtschicht beträgt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß BOSE wegen seiner geringen Kurzzeitlichtabnahme und seiner geringen Qualitätsabnahme für eine Verwendung in hoch belasteten Lampen sehr geeignet ist.
Die Erfindung soll anhand von drei Tabellen näher erläutert werden.
Tabelle I zeigt die Lichtausbeute (η) in Lumen/Watt für drei Niederdruck- Quecksilberentladungslampen als Funktion der Anzahl Brennstunden. Die Nennleistung der Niederdruck-Quecksilberentladungslampen betrug 36 W und ihr Innenddurchmesser war ungefähr 24 mm. Die Leuchtschicht der Niederdruck-Quecksilberentladungslampen umfaßt mit dreiwertigem Europium (YOX) aktiviertes Yttriumoxid als ersten Leuchtstoff und mit zweiwertigem Europium (BAM) aktiviertes Barium-Magnesiumaluminat als dritten Leuchtstoff. Sr1,58Ba0,4SiO&sub4;:Eu&spplus;²0,02, ist in der Leuchtschicht der ersten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe (gemäß der Erfindung) als zweiter Leuchtstoff vorhanden. Zum Vergleich listet die Tabelle auch Daten einer zweiten und einer dritten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe auf (beide nicht gemäß der Erfindung). Die Leuchtschicht der zweiten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe umfaßt CAT, und die Leuchtschicht der dritten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe umfaßt CBT als zweiten Leuchtstoff. Die Mischungsverhältnisse der drei Komponenten der Leuchtschichten waren so gewählt, daß die Farbtemperatur des von den Niederdruck-Quecksilberentladungslampen ausgestrahlten Lichtes ungefähr 4000 K betrug. Außer der Zusammensetzung der Leuchtschicht war der Aufbau der drei Niederdruck-Quecksilberentladungslampen identisch. Aus Tabelle I folgt, daß die Abnahme der Lichtausbeute der erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nur gering ist und ungefähr der der zweiten und der dritten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe entspricht, was zeigt, daß die Qualitätsabnahme einer Sr1,58Ba0,4SiO&sub4;:Eu&spplus;²0,02 enthaltenden Leuchtschicht nicht schneller verläuft als die Qualitätsabnahme von Leuchtschichten mit den teureren Stoffen CAT und CBT als zweitem Leuchtstoff, wie in der zweiten bzw. der dritten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe. Es ist auch aus der Tabelle ersichtlich, daß die Menge YOX in der ersten Niederdruck-Quecksilberentladungslampe verhältnismäßig gering ist. Da Yttriumoxid verhältnismäßig teuer ist, bedeutet dies in der Praxis, daß es eine weitere Möglichkeit gibt, die Selbstkosten der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe zu verringern.
Tabelle II zeigt die Lichtausbeute (η) und den Farbwiedergabe-Index (R(a,8)) von Niederdruck-Quecksilberentladungslampen für eine Anzahl von Farbtemperaturen des von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ausgestrahlten Lichtes. Die Leuchtschicht jeder Niederdruck-Quecksilberentladungslampe umfaßt YOX als ersten Leuchtstoff und BAM als dritten Leuchtstoff. Die in Tabelle II aufgelisteten Daten sind für Niederdruck-Quecksilberentladungslampen mit entsprechender Farbtemperatur berechnet worden, bei denen die Leuchtschicht CBT (zum Vergleich, nicht gemäß der Erfindung) Sr1,38Ba0,6SiO&sub4;:Eu&spplus;²0,02 bzw. Sr1,58Ba0,6SiO&sub4;:Eu&spplus;²0,02 als zweiten Leuchtstoff umfaßt. Man kann erkennen, daß für eine gegebene Farbtemperatur des von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ausgestrahlten Lichtes sowohl die Lichtausbeuten als auch die Farbwiedergabe-Indizes der verschiedenen Niederdruck- Quecksilberentladungslampen stark übereinstimmen. Es ist auch offensichtlich, daß die Eigenschaften der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe, deren Leuchtschicht CBT umfaßt, von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe, deren Leuchtschicht Sr1,58Ba0,4SiO&sub4;:Eu&spplus;²0,02 umfaßt, am besten angenähert werden.
Tabelle III zeigt die Lichtausbeute (η) in lm/W für eine hoch belastete erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberentladungslampe als Funktion der Anzahl Brennstunden. Die von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe in der Entladungssäule aufgenommene Leistung beträgt ungefähr 800 W pro m² Oberfläche der Leuchtschicht. Die Leuchtschicht der Lampe umfaßt YOX als ersten Leuchtstoff, Sr1,58Ba0,4SiO&sub4;:Eu&spplus;²0,02 als zweiten Leuchtstoff und BAM als dritten Leuchtstoff. Man kann erkennen, daß keine meßbare Qualitätsabnahme der Leuchtschicht nach 100 Brennstunden aufgetreten ist. Tabelle I Tabelle II Tabelle III

Claims

1. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe mit Emissionsmaxima in drei Spektralbereichen, die mit einem gasdichten, strahlungsdurchlässigen Entladungsgefäß mit einer Quecksilber und Edelgas enthaltenden Gasfüllung versehen ist und mit einer Leuchtschicht, die zumindest einen ersten Leuchtstoff mit einem Emissionsmaximum im Bereich 590-630 nm und einen zweiten Leuchtstoff mit einem Emissionsmaximum im Bereich 520-565 nm umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leuchtstoff durch die Formel

Sr(2-x-y)BaxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y,

definiert wird, mit 0,2 ≤ x ≤ 1 4 und 0,0005 ≤ y ≤ 0,05.

2. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,35 ≤ x ≤ 0,60.

3. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,01 ≤ y ≤ 0,03.

4. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht einen dritten Leuchtstoff mit einer maximalen Emission im Bereich 430-490 nm umfaßt.

5. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leuchtstoff ein mit dreiwertigem Europium aktiviertes Seltenerdmetalloxid ist.

6. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leuchtstoff mit zweiwertigem Europium aktiviert wird.

7. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe in der Entladungssäule aufgenommene Leistung mehr als 500 Watt pro m² Oberfläche der Leuchtschicht beträgt.