CN100345245C - 具有光学干涉滤光器的电灯 - Google Patents
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Abstract
由交替的第一和第二层构成薄膜干涉滤光器，第一层为二氧化硅，第二层为钽氧化物和铌氧化物的混合物。如果混合物中的氧化铌少于40wt%，那么该滤光器可用在惰性气氛中的高温灯上。已发现较高百分率的分氧压力可防止该层变黑。
Description
技术领域
本发明涉及电灯，该电灯包括：以真空气密方式密封的灯室，
背景技术
设置于灯室中并延伸过灯室与电流供给导体连接的电元件(electrical element)，和在灯室上的干涉滤光器，所述干涉滤光器包括交替的第一和第二层。
在用于反射红外辐射的干涉滤光器中，第一层有较低的折射率，例如二氧化硅，第二层有较高的折射率，例如氧化钽或氧化铌。
众所周知具有不同折射率的两种或更多种材料交替层的干涉滤光器。这种干涉滤光器用于透射某些辐射波长和反射其它的波长。通过将由电元件透射的红外辐射向后反射回到电元件同时透射可见光，这种干涉滤光器可用于提高白炽灯或放电灯的发光效率或发光功效，其中该电元件可以是灯丝或气体放电。这降低了维持灯丝工作温度所需要的电功率大小。
用难熔金属氧化物的交替层构成其中干涉滤光器将暴露于高温下的这种(灯)应用中的干涉滤光器，所述难熔金属氧化物例如是二氧化硅(SiO2)和氧化钽(Ta2O5)与氧化铌(Nb2O5)中之一。二氧化硅是低折射率材料(n＝1.46)，而氧化钽(n＝2.13)或氧化铌(n＝2.35)是高折射率材料。在这种灯的应用中，干涉滤光器应用于其内包含灯丝或电弧的玻璃质灯外壳的外表面上并经常达到高达900℃的工作温度。这些干涉滤光器通常应用化学汽相淀积(CVD)和低压化学汽相淀积(LPCVD)法或反应溅射进行涂敷。
Martin等人的美国专利4663557披露了一种适用于高温气氛的具有SiO2和Ta2O5的交替层的干涉滤光器。可是，Ta2O5面临的问题是在超过800℃的温度下会结晶成为多晶形式，这引起干涉滤光器散射透射光并反射辐射。
Kuus的美国专利4734614披露了一种带有SiO2和Nb2O5的干涉滤光器的卤素灯，其目的在于克服有SiO2/Ta2O5干涉滤光器时所存在的散射和高温问题。这些干涉滤光器成功地用于60w硬质玻璃卤素灯上，该卤素灯工作在500℃下并且放置于具有未气密密封的透镜的反射器中。可是，100w卤素灯工作在高温下并要求石英玻璃灯室在气密性密封的惰性气体气氛中以保护夹封区不被氧化。
氧化铌涂层的缺点是当在惰性气氛中工作时，例如在用火焰密封法气密密封反射器的灯中，这种涂层会变黑。显然该吸收特性是由于氧化铌的减少，从而它低于理想配比(substoichiometric)并因此不透明。氧化钽出现该问题的可能性极小，但钽溅射靶有其价格为铌价格两倍那样昂贵的缺点，此外，氧化铌的折射率高于氧化钽的折射率(2.23比2.14)，这可导致涂层较薄或较高的效率。
鉴于此，期望有氧化钽的优点，例如在惰性气氛中有有限地吸收，和有氧化铌的优点，例如没有高温散射、较低成本和高折射率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可克服上述缺点的开篇中所述的那种类型的电灯。
按照本发明，用开篇中所述的那种类型的电灯可实现该目的，其中该灯包括基本上由SiO2构成的所述第一层，和基本上由Nb2O5和Ta2O5的混合物构成的第二层，所述混合物含有至少20wt％的Nb2O5。当混合物中氧化铌少于38wt％时，发现该层在惰性气氛中没有吸收性。当第二层中的氧化铌超过38wt％时，发现氧分压将防止变黑。对于3000小时的灯寿命来说，100w的灯不会变黑，在38wt％的氧化铌时最小氧压力应该为0.10乇，在100wt％的氧化铌时该最小值应该按直线状半对数线增加到9.8乇。
按照本发明的混合物可获得在惰性或基本上为惰性气氛中100w灯中氧化铌的优点，惰性或基本为惰性气氛是防止密封中的钼箔氧化所需要的。如果密封失效，那么灯丝迅速氧化，从而灯失效。
根据本发明，提供了一种电灯，包括：以真空气密方式密封的灯室(10)，设置于灯室中的电元件(12)，并且该电元件延伸过灯室与电流供给导体(14)相连接，还包括设置有所述灯室(10)的气密密封的外壳(20)和设置在灯室(10)外壁上的干涉滤光器，所述外壳(20)包围填充物所述填充物包含在所述灯室(10)与所述外壳(20)之间的惰性气体，所述干涉滤光器包括交替的第一和第二层，其特征在于，所述第一层由SiO2构成，所述第二层由Nb2O5和Ta2O5的混合物构成，所述混合物中Nb2O5的重量大于等于20％并且小于38％。
根据本发明的另一方面，还提供了一种电灯，包括：以真空气密方式密封的灯室(10)，设置于灯室中的电元件(12)，并且该电元件延伸过灯室与电流供给导体(14)相连接，还包括设置有所述灯室(10)的气密密封的外壳(20)和设置在灯室(10)外壁上的干涉滤光器，所述外壳(20)包围填充物，所述填充物包含在所述灯室(10)与所述外壳(20)之间的惰性气体，所述干涉滤光器包括交替的第一和第二层，其特征在于，所述第一层由SiO2构成，所述第二层由Nb2O5和Ta2O5的混合物构成，其中所述混合物中Nb2O5的重量大于43％并且小于100％，并且所述填充物另外还包含具有氧分压为P02的氧气，其中P02＝6×10-3e7.4f[乇]，f是混合物中Nb2O5的比例。
附图说明
图1是按照本发明其中有带干涉滤光器的灯室的灯壳的剖面图；
图2是观察的变黑时间与混合物中Nb2O5的百分率之间关系的曲线图；
图3最小氧压力与混合物中Nb2O5的百分率之间关系的半对数曲线；
图4是节省的能量与混合物中Nb2O5的百分率之间关系的曲线。
具体实施方式
图1表示使用了按照本发明的干涉滤光器(不能看到)的已知灯。卤素灯(burner)包括灯室10，在该灯室中有在两端连接于电流供给导体14的钨灯丝12，各电流供给导体包括与电元件(element)12连接的内引线16、在灯室的夹封部分中的钼箔17，和外引线18。灯室10具有大致椭圆形的中间部分，在该中间部分的外部配备按照本发明的干涉滤光器，从而向后朝向灯丝12反射红外辐射，由此改善热效率和降低白炽辐射所需要的功率。在美国专利5138219中更详细地披露这种类型的灯。
图1中所示的这种灯是有惰性气体和溴化氢填充物的卤素白炽灯。这种灯众所周知，还可以如美国专利4734614和5138219中所披露的那样有拉长的圆柱形灯室。红外反射的原理也可以用于维持放电气体以及灯丝的温度。本文中所采用的术语“电元件”应理解为包括灯中的其它光源，例如在气体填充物中包含金属卤化物的高压汞放电灯中的电弧。还可以这样设定尺寸和设置干涉滤光器中的层，以使干涉滤光器吸收UV辐射，如美国专利5552671和5646472中所公开的那样。
外壳20被成形为带有成一体的基底21的抛物线反射器，该基底21接收穿过它的导体装配脚26、28。引线26与螺纹灯头27连接，而引线28与绝缘的中心触点29连接。当不需要气密密封时可用粘结剂固定玻璃或塑料的透镜或盖23。可是，当希望在填充空间24中维持惰性气体气氛时，盖23一般为用火焰密封于外壳20上的玻璃。
尽管美国专利5138219披露了大体如图1中所示的灯组件，但如果不采用惰性气体环境，则它仅适用于60w的钨卤素灯。对于100w的灯来说，在可超过800℃的温度下工作，因而需要提供惰性气体填充物来防止导体14的氧化。因氧化铌不会减少到低于理想配比的状态，即达到与导致吸收(变黑)的纯氧化铌相同程度的状态，因而按照本发明的干涉滤光器适用于这样的气氛。并且，当其暴露于高温下时，它没有与纯氧化钽相同程度的溅射。
按照本发明的干涉滤光器最好为本文引用参考的美国专利5138219中所述的那种47层涂层。其主要差别在于，按照本发明的干涉滤光器利用了Ta2O5和Nb2O5的混合物作为高折射率材料。此外，正如所述，通过直流磁电管溅射而不是LPCVD来形成本发明的干涉滤光器。与LPCVD相比，溅射涂层通常引起较小的应力水平。
图2是观察惰性气氛中干涉滤光器变黑的时间与形成第二或高折射率层的混合物中氧化铌的百分率之间近似直线的关系曲线。所有的点是三或四个灯的均值。该线表示斜率为-17.167的三个点的线性衰减。对于有43％的氧化铌的混合物来说，100w灯在按600乇填充压力的大致纯氮的气氛中工作2943小时，未观察到变黑。此时，被测试灯中的线圈失效而干涉滤光器仍然是清洁的。在25％的氧化铌下，未观察或预料到变黑。另一方面，在55％的氧化铌下，在248小时观察到变黑。在75％和100％的氧化铌下，分别在2.25小时和0.1小时观察到变黑。对于在卤素灯上混合47层的干涉滤光器来说按小时的变黑时间可大致用方程式t＝2×10+6e-17.2f表示，其中f是混合物中Nb2O5的比例。
尽管预期在约3000小时时混合物中有43％氧化铌的100w灯变黑，但发现当惰性气体中存在一些氧时可采用较高的百分率。该氧分压明显可防止Nb2O5减少到低于理想配比的状态。
图3是氧压力与混合物中Nb2O5的百分率之间关系的近似直线的半对数曲线，该百分率可防止变黑直到100w灯工作到至少3000小时。在38％下0.1乇和100％下10乇这样的两个端点之间画出该线。该线的方程式为P02＝6×10-3e7.4f。
图4是节省的能量与100w石英玻璃灯上混合物中氧化铌的百分率之间的关系曲线。其中术语“节省的能量”指在相同灯丝温度下涂敷与未涂敷的灯相比功率的降低；可用电阻测量温度。例如，如果在未涂敷的灯中需要125w来实现144欧姆，那么节省的能量为20％。这可用简单的方程式表示，即节省的能量＝1-(涂敷的灯的功率)/(未涂敷的灯的功率)。
用披露于EP 0516436中的微波增强直流磁电管溅射法形成干涉滤光器的各层。由沉积科学(Deposition Sciences)，Inc.of Santa Rosa，California的MicroDyn溅射系统也可知这种技术。该欧洲公开文件公开了使用例如硅和铌两个靶在包含作为反应气体的氧的气氛中交替激励靶淀积SiO2和Nb2O5；工作气体一般为氩。通过操纵四个独立控制的靶，该系统适于生产按照本发明的干涉滤光器。通过操纵两个硅靶形成第一层，通过操纵钽靶和铌靶形成第二层。可调整靶的相对功率来实现这两个氧化物之间的任何比例以及类似地实现在2.14与2.35之间的任何折射率。用总功率(各靶的功率之和)控制混合材料的总厚度。
应注意，混合材料不是由各氧化物的离散分子构成的，而是钽/铌基质的氧化物。无论如何，材料表现为好似简单基质。例如，具有各氧化物层的干涉滤光器的透射曲线(透射率与波长的关系)是公知的，混合氧化物的曲线表现为各曲线的叠加。47层干涉滤光器对400和800nm之间的可见波长的透射率接近100％，同时反射80％的较长的红外波长。特别参见披露于美国专利5138219中的SiO2/Ta2O5干涉滤光器的透射曲线；它与本发明的情况很接近。
上述是示例性的，并不限制所附权利要求的范围。
Claims (6)
1.一种电灯，包括：以真空气密方式密封的灯室(10)，设置于灯室中的电元件(12)，并且该电元件延伸过灯室与电流供给导体(14)相连接，还包括设置有所述灯室(10)的气密密封的外壳(20)和设置在灯室(10)外壁上的干涉滤光器，所述外壳(20)包围填充物，所述填充物包含在所述灯室(10)与所述外壳(20)之间的惰性气体，所述干涉滤光器包括交替的第一和第二层，其特征在于，所述第一层由SiO2构成，所述第二层由Nb2O5和Ta2O5的混合物构成，所述混合物中Nb2O5的重量大于等于20％并且小于38％。
2.一种电灯，包括：以真空气密方式密封的灯室(10)，设置于灯室中的电元件(12)，并且该电元件延伸过灯室与电流供给导体(14)相连接，还包括设置有所述灯室(10)的气密密封的外壳(20)和设置在灯室(10)外壁上的干涉滤光器，所述外壳(20)包围填充物，所述填充物包含在所述灯室(10)与所述外壳(20)之间的惰性气体，所述干涉滤光器包括交替的第一和第二层，其特征在于，所述第一层由SiO2构成，所述第二层由Nb2O5和Ta2O5的混合物构成，其中所述混合物中Nb2O5的重量大于43％并且小于100％，并且所述填充物另外还包含具有氧分压为P02的氧气，其中P02＝6×10-3e7.4f乇，f是混合物中Nb2O5的比例。
3.如权利要求1或2所述的电灯，其中所述灯室(10)是石英玻璃灯室。
4.如权利要求1或2所述的电灯，其中所述灯室(10)是硬质玻璃灯室。
5.如权利要求1或2所述的电灯，其中利用溅射法生产所述第一和第二层。
6.如权利要求1或2所述的电灯，其中所述干涉滤光器反射红外辐射并透射可见辐射。
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