DE10117365A1

DE10117365A1 - Niederdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE10117365A1
Application number: DE10117365A
Authority: DE
Inventors: Roland Hoffmann; Franz Stoll
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-10
Also published as: CA2380761A1; US20020175625A1; EP1248285B1; EP1248285A2; EP1248285A3; DE50211028D1

Abstract

Offenbart ist eine Niederdruckentladungslampe (1) mit einem Entladungsgefäß (2), das Quecksilber enthält. Zur Vermeidung einer Quecksilberaufzehrung ist in das Entladungsgefäß (2) ein Reduktionsmittel (20) eingebracht, das derart ausgebildet ist, dass es Sauerstoff im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und Temperaturen bis 900 DEG C bindet und Quecksilberoxid reduzieren kann.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Niederdruckentladungslampe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein dafür vorgesehenes Reduktionsmittel.

Stand der Technik

Derartige beispielsweise aus der EP 0 569 814 B1 bekannte Niederdruckentladungs lampen werden im Sprachgebrauch allgemein als Leuchtstofflampe oder L-Lampe bezeichnet. Ein Entladungsgefäß dieser Lampen enthält eine Füllung aus zumindest einem Edelgas und Quecksilber. Die Innenumfangswandung des Entladungsgefäßes ist mit Leuchtstoffen beschlämmt, deren chemische Zusammensetzung das Spektrum des abgegebenen Lichtes bzw. den Farbton bestimmt. Beim Zünden und während des Betriebes der Leuchtstofflampe wird aufgrund einer Quecksilberdampfentladung Strahlung im Ultraviolettbereich emittiert. Dieses UV-Licht wird über das Leucht stoffgemisch in das von der Lampe abgegebene Licht umgewandelt.

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 derarti gen Niederdrucklampen 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 Entla dungsgefäß verursacht ist. Bei Leuchtstofflampen fortschrittlicher Herstelltechnolo gie, d. h. durch Verwendung einer Schutzbeschichtung des Glaskolbens, hochwertiger Selten-Erden-Leuchtstoffe, ete. wird die Quecksilberaufzehrung im wesentlichen noch durch die Oxidbildung bestimmt.

In der DE 69 60 8996 D2 ist ein Verfahren zum Einbringen von Quecksilber be schrieben, bei dem das Quecksilber in Form einer intermetallischen Verbindung mit einem Trägermaterial eingebracht wird. Dieses Trägermaterial wirkt auch als Getter, über den Spuren von unerwünschten Gasen gebunden werden können, die im Entla dungsgefäß vorhanden sind.

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 genü gend reines Quecksilber im Entladungsgefäß vorhanden ist.

Es wurde bereits versucht, die Quecksilberaufzehrung durch Bildung von Quecksil beroxiden 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 aufge brachte Emitter im wesentlichen auf Metalloxidbasis hergestellt ist, kann eine Frei setzung von Sauerstoff während des Lampenbetriebes durch Reduktion der Emitter- Metalloxide nicht verhindert werden.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Niederdruckentla dungslampe zu schaffen, bei der eine minimale Menge an Quecksilber in das Entla dungsgefäß einzubringen ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Entladungslampe mit den Merkmalen des Patent anspruchs 1 und durch ein Reduktionsmittel gemäß Patentanspruch 10 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 Ent ladungsgefäß enthaltene Quecksilberoxid zu reduzieren und den Sauerstoff irre versibel zu binden. D. h., erfindungsgemäß wird nicht nur bei Raumtemperatur und bei Entladungsbedingungen der im Entladungsgefäß vorhandene Sauerstoff gebun den, 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 Ge setzgeber 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 wird es bevorzugt, wenn das Reduktionsmittel aus zwei Stoffen besteht. 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 Gesamttempe raturbereich gewährleistet ist. Durch Mischung geeigneter Stoffe kann diese Reduk tionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Reduktionsmittels somit optimal an die Be triebsbedingungen der Niederdruckentladungslampe angepasst werden.

Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn der Stoff A ein Metall oder eine metalli sche Verbindung, jedoch kein Amalgambildner ist, während der Stoff B ein Material enthält, dessen Oxid eine höhere Bindungsenergie als das Oxid des Stoffes A hat, so dass es bei Entladungsbedingungen und höheren Temperaturen das Oxid des Stoffes A reduzieren und den Sauerstoff binden kann.

Bei Versuchen zeigte es sich, dass eine Mischung aus Fe und Zr als Reduktionsmittel geeignet ist, wobei das Mischungsverhältnis etwa 4 : 1 beträgt. Selbstverständlich sind auch andere Stoffe einsetzbar, die die vorbeschriebenen Eigenschaften aufweisen.

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 Temperatu ren reduziert und den freigesetzten Sauerstoff speichert.

Das erfindungsgemäße Reduktionsmittel wird vorzugsweise als Pulver oder Form körper in das Entladungsgefäß eingebracht.

Der Aufbau der Niederdruckentladungslampe ist besonders einfach, wenn das Re duktionsmittel als Beschichtung eines Trägers eingebracht wird, auf dem auch Get ter-Substanzen aufgebracht sind.

Die Wirkung des Reduktionsmittels lässt sich verbessern, wenn dieses nach dem Einbringen in den Entladungsraum durch Temperaturerhöhung und/oder Wechsel wirkung mit einem hochfrequenten Feld aktiviert wird, so dass der ungewollt oxi dierte Stoff A zum reinen Metall reduziert wird und damit seine reduzierende Aktivi tät bei niedrigen Temperaturen wieder erhält.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Beschreibung der Zeichnungen

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 Innenumfangswan dung des Entladungsgefäßes 2 ist mit einer Leuchtstoffbeschichtung 6 versehen. Bei hochwertigen Leuchtstofflampen enthalten diese beispielsweise Seltenerd-Leucht stoffe.

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 Entladungs gefäßes 1 mit einer Glasperle 14 zusammengehalten. Die aus Wolframdraht beste henden Elektroden 8 sind mit einem Emitter überzogen, der den Austritt der Elektro nen 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 Lam pe 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, bei spielsweise Ti_xZr_yHg_z zugeführt werden.

In dem Entladungsraum 16 ist des weiteren noch ein erfindungsgemäßes Redukti onsmittel 20 vorgesehen, das beispielsweise als Formkörper oder pulverförmig ein gebracht wird.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist die die Elektrode 8 um greifende Ringkappe 18 im Umfangsbereich aufgeschnitten, so dass in die entste hende Lücke das erfindungsgemäße Reduktionsmittel 20 eingebracht werden kann. Dabei kann dieses beispielsweise zu einem Formkörper verpresst und in die Ring kappe 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 erfin dungsgemäße Reduktionsmittel in Mischung oder getrennt voneinander enthalten.

Wie bereits eingangs erwähnt, hat das erfindungsgemäße Reduktionsmittel die Auf gabe, 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 die se Bedingungen zu erfüllen (Bindung von Sauerstoff im Bereich zwischen Raum temperatur und Temperaturen bis 900°C) wird vorzugsweise ein aus mehreren Kom ponenten bestehendes Reduktionsmittel eingesetzt. Beispielsweise kann das Reduk tionsmittel aus einer Mischung aus Fe und Zr bestehen, wobei das Mischungs verhältnis 4 : 1 (Massenanteile) beträgt. Bei einer herkömmlichen Leuchtstofflampe reicht es beispielsweise aus, ca. 40 mg einer derartigen Mischung in das Entladungs gefäß 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 ge bracht. 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 Reduktions mittel sorgt dafür, dass Sauerstoff gebunden und evtl. entstehendes Quecksilberoxid reduziert wird, so dass die Quecksilberaufzehrung gegenüber herkömmlichen Lösun gen wesentlich verringert werden kann.

Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung sei anhand eines Ver gleichsbeispiels erläutert:
Es wurden zwei hinsichtlich des Grundaufbaus identische Hg-freie Dreibandenlam pen hergestellt, wobei eine der Lampen ein erfindungsgemäßes Reduktionsmittel auf Fe/Zr-Basis mit dem vorbeschriebenen Mischungsverhältnis enthält. In beide Lam pen 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 Reduktions mittel) 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 zumin dest bei der Kombination Fe/Zr ein wichtiges Merkmal sein. Prinzipiell ist jedoch 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 Me talle 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 vorzugs weise durchmischt.

Offenbart ist eine Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das Quecksilber enthält. Zur Vermeidung einer Quecksilberaufzehrung ist in das Entla dungsgefäß ein Reduktionsmittel eingebracht, das derart ausgebildet ist, dass es Sau erstoff im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und bei Entladungsbedin gungen bindet und darüber hinaus Quecksilberoxid reduzieren kann.

Bezugszeichenliste

1

Niederdruckentladungslampe

2

Entladungsgefäß

4

Pumpröhrchen

6

Leuchtstoffbeschichtung

8

Elektrode

10

Stromzuführung

12

Stromzuführung

14

Glasperle

16

Entladungsraum

18

Ringkappe

20

Reduktionsmittel

Claims

1. Niederdruckentladungslampe (1) mit einem zwei Elektroden (18) aufnehmen den Entladungsgefäß (2), in dem eine Füllung mit Quecksilber und zumindest einem Edelgas aufgenommen ist, gekennzeichnet durch ein Reduktionsmittel (20), über das im Entladungsgefäß (2) vorhandener Sauerstoff im Temperatur bereich zwischen Raumtemperatur und Temperaturen bis 900°C gebunden so wie Quecksilberoxid reduzierbar ist.

2. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, wobei das Reduktionsmittel (20) einen Stoff A hat, der Sauerstoff im Temperaturbereich unterhalb der Ent ladungsbedingungen aufnimmt und einen Stoff B enthält, der bei Entla dungsbedingungen sowie höheren Temperaturen bis 900°C vom Stoff A abge gebenen Sauerstoff bindet und Quecksilberoxid reduziert.

3. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 2, wobei der Stoff A ein Metall oder eine metallische Verbindung ist, die kein Amalgambildner ist und der Stoff B ein Stoff ist, dessen Oxide eine höhere Bindungsenergie als das Oxid des Stoffes A hat, so dass er bei Entladungsbedingungen das Oxid des Stoffes A reduzieren und den Sauerstoff binden kann.

4. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Stoff A Fe und der Stoff B Zr ist oder enthält.

5. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 4, wobei das Mischungsverhält nis Fe zu Zr etwa 4 : 1 beträgt.

6. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Stoff A Oxide beim Einbringen in das Entladungsgefäß (2) enthält und der Stoff B so gewählt ist, dass er diese Oxide sowie Quecksilberoxid reduziert und Sauerstoff speichert.

7. Niederdruckentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Reduktionsmittel (20) als Pulver oder Formkörper in das Entladungsge fäß (2) eingebracht ist.

8. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Reduktionsmittel als Beschichtung eines Trägers in das Entladungsgefäß (2) eingebracht ist, der auch Gettersubstanzen trägt.

9. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Mischung nach dem Einbringen in den Entladungsraum durch Temperaturer höhung aktiviert ist.

10. Reduktionsmittel für eine Niederdruckentladungslampe nach einem der vor hergehenden Ansprüche, mit einem Stoff A, der Sauerstoff bei Raumtempera tur aufnimmt und einem Stoff B, der bei Entladungsbedingungen und höheren Temperaturen bis 900°C das Oxid des Stoffes A und das Quecksilberoxid re duziert und freiwerdenden Sauerstoff bindet.

11. Reduktionsmittel nach Anspruch 10, wobei der Stoff A ein Metall oder eine metallische Verbindung ist, die kein Amalgambildner ist und der Stoff B ein Stoff ist, dessen Oxid eine höhere Bindungsenergie als das Oxid des Stoffes A und des Quecksilberoxids hat.