Die Erfindung betrifft eine Niederdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein dafür vorgesehenes Reduktionsmittel.
Derartige beispielsweise aus der
Bei der Herstellung derartiger Niederdruckentladungslampen ist man bestrebt, das Quecksilber möglichst genau zu dosieren, da zum einen die hohe Toxizität des Quecksilbers bei der Entsorgung der Lampen erhebliche Probleme bereitet und zum anderen die Einhaltung des Quecksilbergehaltes aus Qualitätsgründen erforderlich ist, um die gewünschte Lichtausbeute zu erzielen. Ein weiteres Problem bei derartigen Niederdruckentladungslampen besteht darin, dass beim Betrieb der Leuchtstofflampen eine gewisse Quecksilberaufzehrung zu verzeichnen ist, die einerseits durch Oxidbildung oder durch Reaktion mit den Leuchtstoffen und sonstigen Materialien im Entladungsgefäß verursacht ist. Bei Leuchtstofflampen fortschrittlicher Herstelltechnologie, d.h. durch Verwendung einer Schutzbeschichtung des Glaskolbens, hochwertiger Selten-Erden-Leuchtstoffe, etc. wird die Quecksilberaufzehrung im wesentlichen noch durch die Oxidbildung bestimmt.
In der
Es zeigte sich jedoch, dass auch die Verwendung einer derartigen Getter-Substanz die Quecksilberaufzehrung durch Bildung von Quecksilberoxid nicht verhindern kann. Es ist daher erforderlich, eine größere Menge an Quecksilber als theoretisch für den Betrieb der Lampe erforderlich in das Entladungsgefäß einzubringen, so dass sichergestellt ist, dass während der gesamten Minimallebensdauer der Lampe genügend reines Quecksilber im Entladungsgefäß vorhanden ist.
Es wurde bereits versucht, die Quecksilberaufzehrung durch Bildung von Quecksilberoxiden dadurch zu vermeiden, dass der Sauerstoffeintrag in die Lampen minimiert wird. Dies bedarf jedoch eines erheblichen verfahrenstechnischen Aufwands. Da darüber hinaus der auf den Elektroden der Niederdruckentladungslampe aufgebrachte Emitter im wesentlichen auf Metalloxidbasis hergestellt ist, kann eine Freisetzung von Sauerstoff während des Lampenbetriebes durch Reduktion der Emitter-Metalloxide nicht verhindert werden.
Die
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Niederdruckentladungslampe zu schaffen, bei der eine minimale Menge an Quecksilber in das Entladungsgefäß einzubringen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Entladungslampe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Reduktionsmittel gemäß Patentanspruch 4 gelöst.
Erfindungsgemäß enthält ein Entladungsgefäß einer Niederdruckentladungslampe ein Reduktionsmittel, das in der Lage ist, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen bis 900°C, wie zum z.B. Entladungsbedingungen, das im Entladungsgefäß enthaltene Quecksilberoxid zu reduzieren und den Sauerstoff irreversibel zu binden. D.h., erfindungsgemäß wird nicht nur bei Raumtemperatur und bei Entladungsbedingungen der im Entladungsgefäß vorhandene Sauerstoff gebunden, sondern auch bereits vorhandene Quecksilberoxide reduziert, die beispielsweise beim Einbringen des Quecksilbers vorhanden sind oder beim Betrieb entstehen. Die Quecksilberaufzehrung kann durch diese Lösung auf ein Minimum reduziert werden, so dass nur eine vergleichsweise geringe Menge an Quecksilber zum Betrieb der Lampe erforderlich ist. Dies ermöglicht es, die europaweit verschärften, vom Gesetzgeber vorgegebenen Obergrenzen einzuhalten.
Das Reduktionsmittel muss so gewählt werden, dass sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen die Bildung von Quecksilberoxid vermieden bzw. rückgängig gemacht wird.
Erfindungsgemäß besteht, das Reduktionsmittel aus zwei Stoffen. Einem Stoff A, der dazu in der Lage ist, den Sauerstoff bei Raumtemperatur zu binden. Des weiteren enthält das Reduktionsmittel einen Stoff B, der bei höheren Temperaturen den vom Stoff A freigesetzten Sauerstoff irreversibel bindet und Quecksilberoxid reduziert. D.h., die beiden Stoffe A, B ergänzen einander, so dass eine Reduktion des Quecksilberoxids und Bindung des Sauerstoffs im Gesamttemperaturbereich gewährleistet ist. Durch Mischung geeigneter Stoffe kann diese Reduktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Reduktionsmittels somit optimal an die Betriebsbedingungen der Niederdruckentladungslampe angepasst werden.
Bei Versuchen zeigte es sich, dass eine Mischung aus Fe und Zr als Reduktionsmittel geeignet ist, wobei das Mischungsverhältnis etwa 4:1 beträgt.
Die Herstellung der Niederdruckentladungslampe ist auch dann auf einfache Weise möglich, wenn der Stoff A beim Einbringen ungewollt Oxide enthält und der Stoff B so gewählt ist, dass er diese Oxide und das Quecksilberoxid bei höheren Temperaturen reduziert und den freigesetzten Sauerstoff speichert.
Das erfindungsgemäße Reduktionsmittel wird als Pulver oder Formkörper in das Entladungsgefäß eingebracht.
Der Aufbau der Niederdruckentladungslampe ist besonders einfach, wenn das Reduktionsmittel als Beschichtung eines Trägers eingebracht wird, auf dem auch Getter-Substanzen aufgebracht sind.
Die Wirkung des Reduktionsmittels lässt sich verbessern, wenn dieses nach dem Einbringen in den Entladungsraum durch Temperaturerhöhung und/oder Wechselwirkung mit einem hochfrequenten Feld aktiviert wird, so dass der ungewollt oxidierte Stoff A zum reinen Metall reduziert wird und damit seine reduzierende Aktivität bei niedrigen Temperaturen wieder erhält.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Entladungsgefäßes 2 einer Niederdruckentladungslampe 1. Dieses Entladungsgefäß 2 hat einen Glasmantel, der zylinderförmig oder bei sog. Kompaktleuchten auch ring- oder U-förmig ausgeführt sein kann. Zur Befüllung des Entladungsgefäßes 2 ist an einer beispielsweise durch Quetschung entstandenen Stirnfläche des Entladungsgefäßes 2 ein Pumpenröhrchen 4 ausgebildet, das nach dem Befüllen abgeschmolzen wird. Die Innenumfangswandung des Entladungsgefäßes 2 ist mit einer Leuchtstoffbeschichtung 6 versehen. Bei hochwertigen Leuchtstofflampen enthalten diese beispielsweise Seltenerd-Leuchtstoffe.
Das Entladungsgefäß 2 enthält des weiteren zwei Elektroden, von denen in der Figur lediglich eine Elektrode 8 dargestellt ist. Diese Elektrode 8 kann beispielsweise durch eine Wendel gebildet sein, die über zwei Stromzuführungen 10, 12 mit nicht dargestellten Anschlussstiften der Niederdruckentladungslampe 1 verbunden sind.
Zur Sicherung der Stromzuführungen 10, 12 werden diese innerhalb des Entladungsgefäßes 1 mit einer Glasperle 14 zusammengehalten. Die aus Wolframdraht bestehenden Elektroden 8 sind mit einem Emitter überzogen, der den Austritt der Elektronen in einen Entladungsraum 16 des Entladungsgefäßes 2 erleichtern.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 8 von einer Ringkappe 18 umgeben, die dafür sorgt, dass die bei der Zündung und beim Betrieb der Lampe 1 von der Elektrode abdampfenden Materialien keine Kolbenschwärzungen verursachen.
Beim Befüllen wird zumindest ein Edelgas, meist Krypton und/oder Argon durch das Pumpenröhrchen 4 mit einem Druck von etwa 103 Pa eingeleitet. Das Quecksilber kann direkt oder - wie eingangs erwähnt - als intermetallische Verbindung, beispielsweise TixZryHgz zugeführt werden.
In dem Entladungsraum 16 ist des weiteren noch ein erfindungsgemäßes Reduktionsmittel 20 vorgesehen, das als Formkörper oder pulverförmig eingebracht wird.
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist die die Elektrode 8 umgreifende Ringkappe 18 im Umfangsbereich aufgeschnitten, so dass in die entstehende Lücke das erfindungsgemäße Reduktionsmittel 20 eingebracht werden kann. Dabei kann dieses beispielsweise zu einem Formkörper verpresst und in die Ringkappe 18 eingesetzt werden oder aber über eine Tragkonstruktion, beispielsweise ein Drahtgeflecht fixiert werden.
Eine besonders elegante Lösung besteht darin, das Reduktionsmittel 20 in Form von Tabletten oder auf einem Trägermaterial in das Entladungsgefäß 2 einzubringen, auf dem auch eine Getter-Substanz aufgebracht oder enthalten ist. So könnte die Ringkappe 18 Umfangsausnehmungen enthalten, die das Getter-Material und das erfindungsgemäße Reduktionsmittel in Mischung oder getrennt voneinander enthalten.
Wie bereits eingangs erwähnt, hat das erfindungsgemäße Reduktionsmittel die Aufgabe, bei Raumtemperatur den vorhandenen Sauerstoff zu binden. Des weiteren muss sichergestellt sein, dass bei Entladungsbedingungen und im Temperaturbereich bis 900°C der Sauerstoff im Reduktionsmittel verbleibt und ggfls. noch vorhandenes Quecksilberoxid reduziert wird. Dadurch kann während des Betriebes der Lampe die Bildung von Quecksilberoxid vermieden bzw. rückgängig gemacht werden. Um diese Bedingungen zu erfüllen (Bindung von Sauerstoff im Bereich zwischen Raumtemperatur und Temperaturen bis 900°C), besteht das Reduktionsmittel aus einer Mischung aus Fe und Zr wobei das Mischungsverhältnis 4:1 (Massenanteile) beträgt. Bei einer herkömmlichen Leuchtstofflampe reicht es beispielsweise aus, ca. 40 mg einer derartigen Mischung in das Entladungsgefäß 2 einzubringen.
Zur Aktivierung dieses Reduktionsmittels wurde dieses in der fertigen Lampe mittels eines HF-Feldes für 15 Sekunden auf eine Aktiviertemperatur von etwa 800°C gebracht. Durch diese Aktivierung werden die beim Einbringen des Reduktionsmittels 20 am Stoff A (Fe) entstandenen Oxide durch den Stoff B (Zr) reduziert, so dass der Stoff A bereit ist, bei Raumtemperatur Sauerstoff zu binden. Nach dieser Aktivierung ist die Lampe betriebsbereit - das aus zwei Komponenten bestehende Reduktionsmittel sorgt dafür, dass Sauerstoff gebunden und evtl. entstehendes Quecksilberoxid reduziert wird, so dass die Quecksilberaufzehrung gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verringert werden kann.
Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung sei anhand eines Vergleichsbeispiels erläutert:
Es wurden zwei hinsichtlich des Grundaufbaus identische Hg-freie Dreibandenlampen hergestellt, wobei eine der Lampen ein erfindungsgemäßes Reduktionsmittel auf Fe/Zr-Basis mit dem vorbeschriebenen Mischungsverhältnis enthält. In beide Lampen wurden zusätzlich 4 mg pulverförmiges Quecksilberoxid eingebracht. Beide Lampen wurden in Betrieb genommen und es wurde nach einer vorbestimmten Brenndauer geprüft, ob freies Quecksilber entstanden ist. Nach einer Brenndauer von ca. 100 Stunden konnten bei der erfindungsgemäßen Lampe mehr als 0,2 mg freies Quecksilber gemessen werden, während bei der Vergleichslampe (ohne Reduktionsmittel) keinerlei freies Quecksilber nachweisbar war.
Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde das erfindungsgemäße Reduktionsmittel vor der Inbetriebnahme der Lampe nicht aktiviert. Bei diesem Versuch konnte nach 100 Stunden Brenndauer kein freies Quecksilber nachgewiesen werden. Dies lässt sich damit erklären, dass der Stoff A (Fe) beim Einbringen in das Entladungsgefäß durch Luftsauerstoff oxidiert ist und somit keine Aufnahmekapazität für den Sauerstoff bei Raumbedingungen hat. Die Aktivierung des Reduktionsmittels dürfte somit zumindest bei der Kombination Fe/Zr ein wichtiges Merkmal sein. Prinzipiell konnen auch andere Stoffe A und B gewählt werden, diese sind aber nicht Bestandteil der vorliegenden beanspruchten Erfindung. Prinzipiell ist auch möglich, den Stoff B derart zu wählen, dass er in der Lage ist, auch einen nicht aktivierten Stoff A sowie vorhandenes Quecksilberoxyd zu reduzieren, so dass der Stoff A wieder in der Lage ist, bei Raumtemperatur Sauerstoff aufzunehmen.
Als prinzipiell geeignet für die vorgesehene Anwendung gelten als Stoff A alle Metalle oder metallischen Verbindungen, welche bis 900°C in ausreichendem Maße Sauerstoff aus der Gasphase aufnehmen und keine Amalgambildner sind.
Stoff B ist derart auszuwählen, dass dessen Oxid eine höhere Bindungsenergie hat als das Oxid des Stoffes A und in der Lage ist, bei Temperaturen bis 900°C das Oxid des Stoffes A und das Quecksilberoxid zu reduzieren. Die Stoffe A und B sollen mit möglichst großer Oberfläche in das Entladungsgefäß eingebracht werden, wobei das Mischungsverhältnis so zu wählen ist, dass der vom Stoff A mitgebrachte Sauerstoff vom Stoff B aufgenommen werden kann.
Beim Einbringen als Pulver oder Formkörper werden beide Komponenten vorzugsweise durchmischt.
Offenbart ist eine Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das Quecksilber enthält. Zur Vermeidung einer Quecksilberaufzehrung ist in das Entladungsgefäß ein Reduktionsmittel eingebracht, das derart ausgebildet ist, dass es Sauerstoff im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und bei Entladungsbedingungen bindet und darüber hinaus Quecksilberoxid reduzieren kann.
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