DE69911539T2

DE69911539T2 - Elektrische Lampe mit Interferenzfilter

Info

Publication number: DE69911539T2
Application number: DE69911539T
Authority: DE
Inventors: G. Ray GIBSON; J. Eduardus COTTAAR; Wolfgang Doetter
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: DE69911539D1; EP0995225B1; WO1999053526A1; JP2002504262A; CN100345245C; CN1272954A; ES2209402T3; US6049169A; EP0995225A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Lampe mit einem Leuchtkörper, welcher vakuumdicht verschlossen ist,
einem elektrischen Element, welches in dem Leuchtkörper angeordnet und mit Stromversorgungsleitern, die sich durch den Leuchtkörper erstrecken, verbunden ist, sowie
einem Interferenzfilter auf dem Leuchtkörper, wobei das Interferenzfilter abwechselnd erste und zweite Schichten aufweist.
Bei dem Interferenzfilter zur Reflektierung der Infrarotstrahlung weist die erste Schicht einen relativ geringen Brechungskoeffizienten, wie z. B. Siliciumdioxid, und die zweite Schicht einen relativ hohen Brechungskoeffizienten, wie z. B. Tantal oder Niobium, auf.
Interferenzfilter mit abwechselnden Schichten aus zwei oder mehreren Materialien mit verschiedenen Brechungskoeffizienten sind allgemein bekannt. Interferenzfilter dieser Art werden zur Übertragung von Strahlungswellenlängen und Reflektierung anderer Wellenlängen eingesetzt. Solche Interferenzfilter können zur Verbesserung der Lichtausbeute bzw. Beleuchtungseffizienz von Glühlampen oder Entladungslampen verwendet werden, indem Infrarotstrahlung, die von einem elektrischen Element, bei welchem es sich um einen Glühfaden oder eine Gasentladungsröhre handeln kann, emittiert wird, während der Übertragung des sichtbaren Lichts zu dem Element zurückgeworfen wird. Hierdurch wird die Menge der elektrischen Energie, welche zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur des Glühfadens erforderlich ist, verringert.
Interferenzfilter, welche dort eingesetzt werden, wo das Interferenzfilter hohen Temperaturen, über 500°C, ausgesetzt wird, sind aus alternierenden Schichten aus hitzebeständigen Metalloxiden, wie z. B. Siliciumdioxid (SiO₂) und Tantal (Ta₂O₅) oder Niobium (Nb₂O₅), hergestellt. Bei dem Siliciumdioxid (n = 1,46) handelt es sich um das Material mit dem geringen Brechungskoeffizienten, bei Tantal (n = 2,13) oder Niobium (n = 2,35) dagegen um das Material mit dem hohen Brechungskoeffizienten. Bei solchen Lampeneinsätzen werden die Interferenzfilter auf der Außenfläche der Lampenglasumhüllung, welche den Glühfaden oder Lichtbogen enthält, aufgebracht und erreichen oftmals Betriebstemperaturen von bis zu 900°C. Diese Interferenzfilter werden im Allgemeinen unter Anwendung chemischer Aufdampfung (CVD) und Tiefdruck-CVD oder reaktiver Zerstäubung vorgesehen.
US-Patent 4 663 557 von Martin et al offenbart ein Interferenzfilter mit alternierenden Schichten aus SiO₂ und Ta₂O₅, welches sich zur Verwendung in, hohen Temperaturen ausgesetzten Umgebungen eignet. Ein Problem bei Ta₂O₅ ist jedoch, dass es bei Temperaturen über 800°C zu einer polykristallinen Form kristallisiert, wodurch bewirkt wird, dass das Interferenzfilter übertragenes Licht und die reflektierte Strahlung streut.
US-Patent 4 734 614 von Kuus beschreibt eine Halogenlampe mit einem Interferenzfilter aus SiO₂ und Nb₂O₅, dessen Zweck es ist, Streuungs- und Hochtemperaturprobleme, die bei einem Interferenzfilter aus SiO₂/Ta₂O₅ auftreten, zu überwinden. Diese Interferenzfilter wurden bei 60-Watt-Hartglashalogenbrennern, welche unter 500°C arbeiten und in Reflektoren mit Linsen, die nicht hermetisch abgedichtet sind, angeordnet sind, erfolgreich eingesetzt. 100-Watt-Brenner arbeiten jedoch bei hohen Temperaturen und machen Quarzglasleuchtkörper in einem hermetisch verschlossenen Inertgas erforderlich, um den Quetschungsbereich gegen Oxidation zu schützen.
Niobiumbeschichtungen haben den Nachteil, dass solche Beschichtungen bei Betrieb in einer inerten Umgebung, wie z. B. bei Lampen, bei denen der Reflektor bei einem Flammenabdichtungsverfahren hermetisch abgedichtet wird, schwärzen. Dieses Absorptionscharakteristikum ist offensichtlich auf die Reduzierung des Niobiums zurückzuführen, so dass dieses unterstöchiometrisch und daher opak ist. Tantal weist dieses Problem in einem wesentlich geringerem Umfang auf, wobei jedoch Tantalzerstäubungskathoden den Nachteil haben, dass sie doppelt so teuer wie Niobium sind. Darüber hinaus ist der Brechungsindex bei Niobium höher als bei Tantal (2,35 gegenüber 2,14), was in einer dünneren Beschichtung oder größeren Effizienz resultieren kann.
In Anbetracht des zuvor Erwähnten wäre es wünschenswert, die Vorteile von Tantal, z. B. eine begrenzte Tendenz, in einer inerten Umgebung absorptionsfähig zu werden, und Niobium, z. B. keine Hochtemperaturstreuung, geringere Kosten und einen hohen Brechungsindex, zu erreichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Lampe der in dem einleitenden Absatz beschriebenen An vorzusehen, bei welcher den oben erwähnten Nachteilen entgegengewirkt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch erreicht, dass eine elektrische Lampe der in dem einleitenden Absatz erwähnten An erste Schichten, welche in der Hauptsache aus SiO₂ bestehen, und zweite Schichten aufweist, welche im Wesentlichen aus einem Gemisch aus Nb₂O₅ und Ta₂O₅ bestehen, wobei das Gemisch mindestens 20 Gewichtsprozent Nb₂O₅ aufweist. Beträgt der Anteil von Niobium in dem Gemisch weniger als 38 Gewichtsprozent, hat es sich gezeigt, dass die Schichten in einer inerten Umgebung nicht absorptionsfähig sind. In den Fällen, in denen Niobium in den zweiten Schichten 38 Gewichtsprozent überschreitet, hat es sich gezeigt, dass ein Sauerstoffpartialdruck ein Schwärzen verhindert. Bei einer Brenndauer von 3000 Stunden bei einer 100-Watt-Lampe ohne Schwärzung sollte der Sauerstoffmindestdruck 13,3 Pa (0,10 Torr) bei 38% Niobium betragen, und dieses Minimum sollte bei 100% Niobium entsprechend einer geraden, halblogarithmischen Kurve auf 1306,6 Pa (9,8 Torr) ansteigen.
Das Gemisch gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht die Vorteile von Niobium in einer 100-Watt-Lampe in einer inerten bzw. im Wesentlichen inerten Umgebung, welche erforderlich ist, um eine Oxidation der Molybdänfolie in den Abdichtungen zu verhindern. Bei misslungener Abdichtung oxidiert der Glühfaden rapide und die Lampe weist eine Störung auf.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – eine Schnittansicht einer Lampenumhüllung, innerhalb welcher ein Leuchtkörper mit einem Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
2 – eine grafische Darstellung beobachteter Zeit zur Schwärzung gegenüber Prozentgehalt von Nb₂O₅ im Gemisch;
3 – eine halblogarithmische, grafische Darstellung des Sauerstoffmindestdrucks gegenüber Prozentgehalt von Nb₂O₂ im Gemisch bei klarem Interferenzfilter;
4 – eine grafische Darstellung von Energieeinsparungen gegenüber Prozentgehalt von Nb₂O₅ im Gemisch.
1 zeigt eine bekannte Lampe, bei welcher das Interferenzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung (nicht sichtbar) von Nutzen wäre. Der Halogenbrenner weist einen Leuchtkörper 10 mit einem Wolframfaden 12 auf, welcher an beiden Enden mit Stromversorgungsleitern 14 verbunden ist, die jeweils eine, mit dem Element 12 verbundene Innenzuleitung 16, eine Molybdänfolie 17 in dem durch Zusammendrücken abgedichte ten Teil des Leuchtkörpers sowie eine Außenzuleitung 18 vorsehen. Der Leuchtkörper 10 weist einen elliptisch geformten, mittleren Teil auf, welcher auf der Außenseite mit einem Interferenzfilter gemäß der Erfindung versehen ist, wodurch Infrarotstrahlung zu dem Glühfaden 12 zurückgeworfen wird, um den Wärmewirkungsgrad zu verbessern und die zum Glühen erforderliche Leistung zu reduzieren. Eine Lampe dieser An ist in US-Patent 5 138 219 näher beschrieben.
Bei der in 1 dargestellten Lampe handelt es sich um eine Halogenglühlampe mit einer Füllung aus Inertgas und Hydrobromid. Lampen dieser An sind allgemein bekannt und können ebenfalls einen länglichen, zylindrischen Leuchtkörper, wie in US-Patent 4 734 614 und 5 138 219 offenbart, aufweisen. Die Infrarotreflexionsprinzipien können ebenfalls zur Aufrechterhaltung der Temperatur eines Entladungsgases sowie eines Glühfadens anwendbar sein. Der Begriff „elektrisches Element", wie hier verwendet, ist damit so zu verstehen, dass in Lampen weitere Lichtquellen, wie z. B. der Lichtbogen in einer Hochdruckquecksilberentladungslampe, welcher Metallhalogenid in der Gasfüllung enthält, enthalten sein können. Die Schichten in einem Interferenzfilter können ebenfalls so dimensioniert und angeordnet sein, dass das Interferenzfilter, wie in US-Patent 5 552 671 und 5 646 472 offenbart, UV-Strahlung absorbiert.
Die äußere Umhüllung 20 ist als Parabolspiegel mit eingebautem Sockel 21, welcher die leitfähigen Montageleitungen 26, 28 aufnimmt, geformt. Die Zuleitung 26 ist mit Schraubsockel 27, die Zuleitung 28 dagegen mit dem isolierten, zentralen Kontakt 29 verbunden. Die Glas- oder Kunststofflinse bzw. Abdeckung 23 kann mittels Klebemittel befestigt werden, wenn eine hermetische Abdichtung nicht erforderlich ist. Sollte es jedoch wünschenswert sein, eine Inertgasumgebung in dem Füllraum 24 aufrechtzuerhalten, wäre die Abdeckung 23 typischerweise aus Glas, welches gegenüber der Umhüllung 20 flammendicht ist.
Obgleich US-Patent 5 138 219 eine Lampenanordnung offenbart, welche im Wesentlichen der in 1 dargestellten gleicht, ist diese lediglich für 60-Watt-Wolframhalogenlampen geeignet, wenn nicht eine Inertgasumgebung verwendet wird. Bei einer 100-Watt-Lampe, welche bei Temperaturen arbeitet, die 800°C überschreiten können, ist es erforderlich, eine Inertgasfüllung vorzusehen, um eine Oxidation von Leitern 14 zu verhindern. Das Interferenzfilter gemäß der Erfindung eignet sich für eine solche Umgebung, da es keine Rückführung in einen unterstöchiometrischen Zustand in dem gleichen Maße wie reines Niobium, wodurch eine Absorption (Schwärzung) hervorgerufen wird, erfährt. Des Weiteren weist es keine Streuung in dem gleichen Maß wie reines Tantal auf, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
Bei dem Interferenzfilter gemäß der Erfindung handelt es sich vorzugsweise um eine 47-schichtige Beschichtung der in US-Patent 5 138 219 offenbarten An. Der Hauptunterschied ist, dass das Interferenzfilter gemäß der Erfindung ein Gemisch aus Ta₂O₅ und Nb₂O₅ als Material mit hohem Brechungsindex vorsieht. Zudem wird das Interferenzfilter gemäß der Erfindung, wie beschrieben, durch DC-Magnetronenzerstäubung statt durch LPVCD gebildet. Aufgesputterte Beschichtungen resultieren im Vergleich zu LPCVD im Allgemeinen in reduzierten Beanspruchungshöhen.
2 zeigt eine, durch eine gerade Linie approximierte, grafische Darstellung beobachteter Zeit bei einem Interferenzfilter in einer inerten Atmosphäre zur Schwärzung gegenüber dem Prozentgehalt von Niobium in dem Gemisch, welches die zweiten Schichten bzw. die Schichten mit hohem Brechungsindex bildet. Sämtliche Punkte sind Mittelwerte von drei oder vier Lampen. Die Linie stellt eine lineare Regression der drei Punkte bei einem Anstieg von 17,167 dar. Bei einem Gemisch mit 43% Niobium wurde bei einem Betrieb von 2943 Stunden einer 100-Watt-Lampe in einer Umgebung von im Wesentlichen reinem Stickstoff bei einem Fülldruck von 0,8 bar (600 Torr) keine Schwärzung beobachtet. Bis dahin fielen die Wendel in der Testlampe aus, während das Interferenzfilter klar blieb. Bei 25% Niobium wurde keine Schwärzung beobachtet oder erwartet. Bei 55% Niobium dagegen wurde bei einem Betrieb von 248 Stunden eine Schwärzung beobachtet. Bei 75% und 100% Niobium wurde jeweils bei einem Betrieb von 2,25 Stunden und 0,1 Stunden eine Schwärzung beobachtet. Die Zeit in Stunden zur Schwärzung bei einem 47-schichtigen Mischinterferenzfilter auf einem Halogenbrenner kann durch die Gleichung t = 2 × 10⁺⁶e^–17,2f approximiert werden, wobei f den Anteil von Nb₂O₅ in dem Gemisch darstellt.
Obgleich eine Schwärzung einer 100-Watt-Lampe bei einem Betrieb von etwa 3000 Stunden bei 43% Niobium in dem Gemisch erwartet wird, hat es sich gezeigt, dass höhere Prozentzahlen eingesetzt werden können, wenn in dem Inertgas Sauerstoff enthalten ist. Dieser Sauerstoffpartialdruck verhindert offensichtlich eine Rückführung des Nb₂O₅ in einen unterstöchiometrischen Zustand.
3 zeigt eine, durch eine gerade Linie approximierte, halblogarithmische, grafische Darstellung des Sauerstoffdrucks gegenüber dem Prozentgehalt von Nb₂O₅ in dem Gemisch, um eine Schwärzung zu verhindern, bis eine 100-Watt-Lampe bis zu mindestens 3000 Stunden gearbeitet hat. Die Linie ist zwischen zwei Endpunkten, 13,3 Pa (0,1 Torr) bei 38% und 1333 Pa (10 Torr) bei 100%, gezogen. Die Gleichung für die Linie ist P₀₂ = 6 × 10^–3e^7,4f.
4 zeigt eine grafische Darstellung von Energieeinsparungen gegenüber dem Prozentgehalt von Niobium in dem Gemisch bei 100-Watt-Quarzglasbrennern. Hier bezieht sich der Begriff "Energieeinsparungen" auf die Reduzierung der Wattleistung bei einem beschichteten gegenüber einem unbeschichteten Brenner bei der gleichen Glühfadentemperatur; Temperatur kann durch Widerstand gemessen werden. Wenn zum Beispiel 125 Watt erforderlich sind, um 144 Ohm in einem unbeschichteten Brenner zu erreichen, und 100 Watt erforderlich sind, um 144 Ohm in dem beschichteten Brenner zu erreichen, beträgt die Energieeinsparung 20%. Dieses kann durch eine einfache Gleichung, wobei die Energieeinsparung = 1 (Leistung beschichtet)/(Leistung unbeschichtet), ausgedrückt werden.
Die Schichten des Interferenzfilters werden durch ein mikrowellenverbessertes DC-Magnetronenzerstäubungsverfahren, wie in EP 0 516 436 offenbart, gebildet. Dieses ist ebenfalls als MicroDyn-Sputtersystem von Deposition Sciences, Inc., Santa Rosa, Kalifornien, bekannt. Diese Europäische Publikation offenbart die Verwendung von zwei Quellen, zum Beispiel bei Si und Nb, um SiO₂ und Nb₂O₅ aufzubringen, indem den Quellen in einer, Sauerstoff als reaktives Gas enthaltenden Atmosphäre abwechselnd Energie zugeführt wird; das Arbeitsgas ist typischerweise Argon. Das System ist so vorgesehen, dass das Interferenzfilter gemäß der Erfindung unter Inanspruchnahme von vier Quellen mit unabhängiger Steuerung gebildet wird. Die ersten Schichten werden durch Inanspruchnahme von zwei Siliciumquellen, die zweiten Schichten dagegen unter Inanspruchnahme der Tantalquelle und Niobiumquelle gebildet. Die relativen Leistungen der Quellen können so eingestellt werden, dass ein Verhältnis der beiden Oxide und ebenfalls ein Brechungsindex zwischen 2,14 und 2,35 erreicht werden kann. Die Gesamtdicke des Mischmaterials wird durch die Gesamtleistung (Summe der Leistungen für die jeweiligen Quellen) gesteuert.
Es sei erwähnt, dass das Mischmaterial vielleicht nicht aus diskreten Molekülen der jeweiligen Oxide besteht, jedoch durch ein Oxid der Ta/Nb-Matrix dargestellt sein kann. Auf jeden Fall verhält sich das Material so, als wenn es sich um ein Einfachgemisch handeln würde. Zum Beispiel sind die Übertragungskurven (Übertragung gegenüber Wellenlänge) für die Interferenzfilter mit Schichten aus den jeweiligen Oxiden allgemein bekannt, und die Kurve für das Mischoxid erscheint als Superposition der einzelnen Kurven. Die Übertragung sichtbarer Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm beträgt bei einem 47-schichtigen Interferenzfilter nahezu 100%, während etwa 80% der längeren Infrarotwellenlängen reflektiert werden. S. hierzu die Übertragungskurve für ein, in US-Patent 5 138 219 offenbartes SiO₂/Ta₂O₅-Interferenzfilter.
Das zuvor Erwähnte ist exemplarisch und soll den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken.
Inschrift der Zeichnung:
2

time Zeit

4

energy savings Energieeinsparungen

Claims

Elektrische Lampe mit einem Leuchtkörper (10), welcher vakuumdicht verschlossen ist, einem elektrischen Element (12), welches in dem Leuchtkörper angeordnet und mit Stromversorgungsleitern (14), die sich durch den Leuchtkörper erstrecken, verbunden ist, sowie einem Interferenzfilter auf dem Leuchtkörper (10), wobei das Interferenzfilter abwechselnd erste und zweite Schichten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schichten im Wesentlichen aus SiO₂ bestehen und die zweiten Schichten im Wesentlichen aus einem Gemisch aus Nb₂O₅ und Ta₂O₅ bestehen, wobei das Gemisch mindestens 20 Gewichtsprozent Nb₂O₅ aufweist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, welche weiterhin eine hermetisch abgedichtete, äußere Umhüllung (20) aufweist, in welcher der Leuchtkörper (10) angeordnet ist, wobei die äußere Umhüllung (20) eine Füllung vorsieht, die im Wesentlichen aus, den Leuchtkörper umgebenden Inertgas besteht, wobei das Gemisch höchstens 40 Gew.-% Nb₂O₅ aufweist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, welche weiterhin eine hermetisch abgedichtete, äußere Umhüllung (20) aufweist, in welcher der Leuchtkörper (10) angeordnet ist, wobei die äußere Umhüllung eine Füllung mit einem Sauerstoffpartialdruck aufweist, wenn das Gemisch mindestens 38 Gew.-% Nb₂O₅ aufweist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 3, wobei der Sauerstoffpartialdruck ein Minimum aufweist, welches mit dem Prozentgehalt von Nb₂O₅ in dem Gemisch ansteigt, wobei das Minimum durch eine, durch eine gerade Linie approximierte, halblogarithmische, grafische Darstellung des Sauerstoffdrucks gegenüber dem Prozentgehalt von Nb₂O₅ in dem Gemisch dargestellt ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 4, wobei die gerade Linie durch P₀₂ = 6 × 10^–3e^7,4f dargestellt ist, wobei P₀₂ den Sauerstoffdruck in Torr (1 Torr = 133,32 Pa) und f den Anteil von Nb₂O₅ in dem Gemisch darstellt.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, wobei das Interferenzfilter aus den ersten und zweiten Schichten besteht.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, wobei der Leuchtkörper (10) Quarzglas enthält.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, wobei der Leuchtkörper (10) Hartglas enthält.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Schichten unter Anwendung eines Zerstäubungsverfahrens vorgesehen werden.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, wobei das Interferenzfilter Infrarotstrahlung reflektiert und sichtbare Strahlung überträgt.