KR100391936B1

KR100391936B1 - 반사코팅이된백열전등

Info

Publication number: KR100391936B1
Application number: KR10-1998-0707059A
Authority: KR
Inventors: 울리히 빈더; 지크베르트 뮐러
Original assignee: 파텐트-트로이한트-게젤샤프트 퓌어 엘렉트리쉐 글뤼람펜 엠베하
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1998-01-19
Publication date: 2003-09-19
Also published as: JP2000507389A; CN1146013C; TW355809B; EP0894336A1; KR20000064566A; DE59806689D1; WO1998032158A1; HUP0000618A2; CN1216155A; US6111344A; JP4229985B2; EP0894336B1; HU222331B1; HUP0000618A3; DE19701794A1

Abstract

회전 대칭형 전구(10)와 적외선 방사를 반사하는 층(14)을 가진 백열 전등 특히, 할로겐 백열 전등(9)이 타원체 부분 윤곽을 가진다. 전구의 타원체 부분 윤곽은 그 반장축, 따라서 그 초점축이 세로축에 수직하게 즉, 상기 전구(10)의 회전축에 수직하게 방향 지어지는 타원 선분에 의해 생성된다. R과 Wr 이 각각 상기 전구(10)의 최대 반경과 상기 회전 대칭형 발광 소자(15)의 최대 반경을 나타낼 때, 상기 반장축(a)의 길이는 R < b < R + 5 Wr 의 범위에 있는 것이 바람직하다. 전등 효율의 향상 이외에도 상기 전등(9)은 전구(10)의 내부에 중심축 상에 배치된 발광 소자(15)상으로의 균일한 적외선 반사로 인해 균일한 온도 분포를 가지는 점에 특징이 있다.

Description

반사 코팅이 된 백열 전등 {INCANDESCENT LAMP WITH REFLECTION COATING}

이 형태의 전등은 예를 들어, US-A 4 160 929, EP-A 0 470 496, DE-A 30 35 068 및 DE-A 44 20 607에 개시되어 있다. US-A 4 160 929에 의하면 전등 효율을 최적화하기 위해서는 발광 소자의 기하학적 형상이 전구의 기하학적 형상과 조화를 이루어야 한다. 게다가, 발광 소자가 전구의 광학적 중심에 가능한 정확하게 위치되어야 한다. 그 결과, 발광 소자의 표면에서 방사되는 파면이 전구 표면에서 교란되지 않고 역반사된다. 이로 인해 수차 손실이 최소화된다. 이상적인 경우, 예를 들어 구형 전구는 중심적으로 배치된 구형 발광 소자를 가져야 한다. 한편, 일반적으로 사용되는 텅스텐 와이어의 한정된 연성으로 인해, 적절한 필라멘트 형상은 매우 제한된 형태로만 실현될 수 있다. 입방체 필라멘트가 거칠지만 실현 가능한 구형의 근사 형태로 제안되었다. 다른 실시예에서는, 필라멘트가 그 중심에서 최대 직경을 가진다. 상기 직경은 필라멘트의 양단으로 가면서 계속 감소된다. 타원형 전구에 대해 타원체의 두 초점에 각각 하나의 발광 소자를 배치하는 것도 제안되었다.

EP-A 0 470 496은 구형 전구의 중심에 원통형 발광 소자가 배치된 전등을 개시하고 있다. 이 인용 문헌은 발광 소자가 이상적인 구형 형상과 편차를 가짐으로 인한 효율의 손실은 아래 전제조건 하에서 수용가능한 정도로 제한된다고 한다. 전구 직경과 발광체 직경 즉 길이가 허용 오차 내에서 주의 깊게 서로 일치되거나, 발광 소자의 직경이 전구의 직경보다 현저하게 작아야 한다(0.05배). 게다가, 타원형 전구를 가진 전등은 그 초점 라인 상에 기다란 발광 소자가 축 상으로 배치되어야 한다는 조건이 있다.

DE-A 30 35 068은 상기한 마지막 실시예에서도 피할 수 없었던 수차 손실을 최소화하는 것을 개시하고 있다. 이 문헌에 따르면, 타원형 전구의 두 초점이 원통형 발광 소자의 축 상에 각 말단으로부터 소정의 거리만큼 위치한다.

마지막으로, DE-A 44 20 607은 타원형 또는 타원형과 유사한 통 형상을 가진 전구에 적외선 층이 제공된 할로겐 백열 전등을 개시하고 있다. 타원형 또는 타원형과 유사한 통의 외형은 반단축(semiminoraxis)(b)이 전등의 세로축 즉, 전구의 회전축에 수직인 타원 부분에 의해 생긴다. 게다가 모선(generatrix)의 반단축은 전구 직경의 반(D/2)보다 작으며, 회전축에 대해 대략 발광 소자의 반경(d/2) 거리로 평행하게 배치되어 통 형상을 만든다. 발광 소자의 길이는 타원 형성 부분의 두 초점간의 거리와 대략 일치한다. 게다가, 발광 소자는 (세로 방향으로 표현하자면) 두 초점이 발광 소자의 두 대응되는 구석 점들과 일치되도록 전구의 내부에 배치된다. 그러나, 결과적으로 필라멘트는 불균일하게 가열된다. 이 방법의 다른 단점은 얻을 수 있는 전등 효율의 향상이 구내에서의 발광 소자의 위치 및 크기에 강하게 의존한다는 것이다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상기한 단점을 해소하고, 발광 소자로 발산되는 적외선이 효과적으로 반사되는 점이 뛰어나 고효율을 가진 백열 전등을 상술하는 것이다. 게다가, 본 발명의 목적은 높은 광밀도(luminous density)와 함께 가능한 작은 전등 크기를 제공하는 것으로, 특히 저전압 할로겐 백열 전등에 대한 것이다.

이 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제 1 항의 특징부에 의해 실현된다. 본 발명의 다른 장점들은 종속항에 설명된다.

본 발명은 백열 전등에 관한 것으로, 특히 청구범위 제 1 항 전문에 따른 적외선 반사층을 가진 할로겐 백열 전등에 관한 것이다.

이 형태의 전등은 통상적인 조명 시스템과 특수 조명 목적 모두에 사용되며 또한 예를 들어 영상 기술 분야에서 반사기와 함께 사용되기도 한다.

내측 및/또는 외측 표면에 인가되어 적외선 방사를 반사시키는 층(이하 적외선 층)과 함께, 전구의 회전 대칭적 형상은 발광 소자에 의해 방사되는 적외선 방사 전력의 대부분을 반사시키는 효과를 가진다. 이로 인해 얻어진 전등 효율의 상승은 일면 동일한 전력 소모로 발광 소자의 온도를 증가시키는데 사용되어 광속을 증가시킬 수 있다. 한편으로는, 더 작은 전력 소모로도 규정된 광속을 얻을 수 있다 - "에너지 절약 효과". 더 바람직한 효과는, 적외선 층으로 인해 훨씬 적은 적외선 방사 전력이 전구를 통해 방사되므로 통상적인 백열 전등에 비해 주위가 훨씬 덜 가열된다는 것이다. 적외선 층에서의 피할 수 없는 흡수 손실로 인해, 전구내부에서의 적외선 방사 성분의 전력 밀도는 반사 회수와 함께 감소되며, 따라서 백열 전등의 효율도 감소하게 된다. 결국, 실제로 얻어질 수 있는 효율의 증가에 대해 결정적인 것은 개개의 적외선을 발광 소자로 되돌리는 반사의 회수를 최소화하는 것이다. 적외선 층을 가진 전등은 특히 이런 목적을 위한 형상을 가지고 있다.

본 발명은 몇몇 실시예를 들어 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명의 원리에 대한 개략도

도 2a 및 도 2b는 선행 기술에 대한 개략도.

도 3은 본 발명에 따라 최적화된 전구 모양 및 적외선 층과 내부 반사형 필라멘트를 가진 저압(LV) 할로겐 백열 전등의 예시적 실시예에 관한 도.

본 발명의 개념을 설명하기 위해 도 1을 참조한다. 도 1은 원리에 대한 개략도로서 본 발명을 이해하는데 필수적인 몇몇 변수를 도입하고 있다. 여기에는 두 초점 F₁, F₂와 반장축(semimajoraxis)(a), 반단축(b)을 가진 타원(1)이 도시되어 있다.

본 발명에 따르면, 회전 대칭인 전구(2)의 윤곽(개략적으로 도시되어 있음, 간단히 하기 위해 급전 리드(supply lead)와 핀치(pinch)는 도시되지 않음)은 본래 선분(3)(도 1에서 굵게 강조되어 있음)에 의해 생기며, 타원의 선분(3)은 반장축(a)이 전구(2)의 회전축(RA)에 수직 방향을 가지도록 의도적으로 선택된다. 회전 대칭형 발광 소자(4)(예를 들어 환상 원통형)는 그 외측 윤곽(도 1에서 개략적 세로 부분의 직사각형으로 나타나 있음)이 전구(2) 내부의 중심축 상에 배치되어 있다. 그 결과, 초점 축(모선(3)의 두 초점 F₁, F₂을 연결하는 직선)도 또한 전구(2)의 회전축(RA)과 평행하게 배치된다. 놀랍게도, 이는 전등 효율을 상당히 증가시키고 발광 소자를 더욱 균일하게 가열하는 점에서 선행 기술과 다르다는 것이 밝혀졌다.

게다가, 고효율과 관련하여, 반장축(a)의 길이가 R < a < R + 5 W_r의 범위, 특히 R + W_r≤ a < R + 3 W_r의 범위에서 선택되는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다. 여기서, R과 W_r은 각각 전구의 최대 반경과 원통형 또는 원통형과 유사한 발광 소자의 반경을 나타낸다. 타원의 모선 선분(3)의 반단축(b)은 대략 발광 소자(4) 길이의 두 배 길이를 갖는다.

선행 기술과의 차이는 도 2a 및 도 2b의 원리의 개략적 표현과 비교하면 명백해진다. 도 2a는 DE-A 30 35 068과 관련되어 대응된다. 도 2a는 회전 타원체의 두 초점 F₁과 F₂가 발광 소자(6)의 단부와 일치하도록 내부 중심 축 상에 발광 소자(6)가 배치된 타원체 전구(5)를 도시하고 있다. 따라서, 초점축은 전구(5)의 회전축(RA)에 평행하게 배치되는 바, 본 발명과 대조된다.

마지막으로, 도 2b는 DE-A 44 20 607과 관련된다. 여기서, 전구(7)는 타원체 또는 타원체와 유사한 통(barrel) 형상이다. 개략적 단면도에서, 두 직선 선분에 의해 상호연결된 두 반타원(half ellipses)이 도시되어 있다. 이 경우, 두 반타원의 초점 쌍 F₁, F₂와 F₁', F₂'는 발광 소자(8)의 구석 점들과 일치한다. 여기서, 초점축와는 본 발명과는 대조적으로 전구의 회전축(RA)과 평행하게 배치되어 있다.

효율 증가는 별도로 하고, 본 발명의 장점은 필라멘트 상으로 역반사되는 적외선 방사의 균일성 증가이다. 이 결과, 필라멘트의 조속한 파괴의 원인인 국부적 과열이 방지된다. 또한, DE-A 44 20 607과 비교해 볼 때, 얻을 수 있는 전등 효율의 향상이 제조시 전구 내에서의 발광 소자의 위치의 변동에 대한 의존성이 작다는 장점이 있다.

축 상으로 배치된 텅스텐으로 만들어진 단일 코일 또는 이중 코일 필라멘트가 발광 소자로 사용된다. 기하학적 크기, 즉 직경, 리드, 및 길이는 특히 필라멘트의 목표 전기 저항 R에 의존하며, 전기 저항 R은 다시 주어진 공급 전압 U에 대한 바라는 소모 전력 P에 의존한다. P = U²/R 이므로, 필라멘트는 일반적으로 저압(LV)의 경우보다 고압(HV)의 경우에 더 길다.

발광 소자는 기밀(gas-tight) 방식으로, 전구의 일단(one end)에서 공통으로 또는 전구의 두 반대 말단(end)에서 분리되어 밖으로 뻗어 있는 두 공급 리드에 전기적으로 도전되는 방식으로 연결된다. 밀봉은 일반적으로 핀치에 의해 형성된다. 그러나, 예를 들어 불꽃 장착(flare mount)과 같은 다른 밀봉 기술도 가능하다. 특히, 저압(LV)에서의 사용을 위해서는 일단만이 밀봉된 실시예가 적절하다. 이 경우, 비교적 짧은 발광 소자로 인해 매우 작은 전등 크기를 실현할 수 있다.

전등 효율을 최적화하기 위해 전구 벽의 될수록 많은 부분이 유효 반사면으로 사용되는 것이 유리하다. 이는 특히, 전구가 급전 부분에서 일단, 또는 적절하다면 양단에 전등 목(neck)을 가지는 것에 의해 구현될 수 있다. 전등 목은 급전부를 될수록 좁게 둘러싸 밀봉한다. 이에 대한 상세한 설명은 DE-A 44 20 607에 개시되어 있다.

전구는 통상 예를 들어 N₂, Xe, Ar 및/또는 Kr과 같은 불활성 기체로 채워진다. 특히, 전구가 검게되는 것을 막기 위해 텅스텐-할로겐 순환(cycle)을 유지하는 할로겐 첨가물이 포함된다. 전구는 예를 들어 이산화규소(silica)와 같은 투명한 재료로 만들어진다.

전등은 외측 전구와 함께 사용될 수도 있다. 주위로 방사되는 적외선 전력의 큰 감소가 필요하다면, 상기 외측 전구 또한 적외선 층을 가질 수도 있다.

적외선 층은 예를 들어 보통 서로 다른 굴절률을 가진 교대(alternating) 유전체층으로 알려진 간섭 필터로서 설계될 수도 있다. 적절한 적외선 층의 설계 원리는 예를 들어 EP-A 0 470 496에 개시되어 있다.

본 발명에 따른 전등(9)의 예시적 제 1 실시예가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 이는 12V의 공칭 전압과 35W의 공칭 소비 전력을 가진 할로겐 백열 전등이다. 이는 타원형과 유사한 형태로서 일단이 핀치 되어(pinched) 있는 전구(10)를 포함한다. 전구(10)의 타원체 부분 윤곽의 모선은 그 반장축이 7.4mm 길이인 타원의 부분이며, 전등(9)의 세로축에 평행하게 배치되어 있다. 모선의 반단축은 6.3mm 길이이다. 전구(10)는 두께 약 1mm의 벽을 가진 이산화규소 유리로 만들어져 있으며, 약 12mm의 최대 외측 직경을 가진다. 그 일단에서, 전구(10)는 목(11)으로 녹아들면서 밀봉부(12)로 이어진다. 다른 일단에서, 전구(10)는 펌핑 팁(13)을 가진다. 그 외측면에는 20층 이상의 TiO₂와 SiO₂를 가진 간섭 필터로 구성된 적외선 층(14)이 인가된다. 게다가, 적외선 층은 또한 핀치 밀봉부(12)의 반 정도를 덮는다. 이런 식으로, 일면 특히 규격이 정확한 형태의 적외선 층(14)이 얻어지는데, 이는 전구(10) 제조시 그 외측면이 계산된 윤곽을 가진 타원체로 눌리기 때문이다. 한편, 적외선 층(14)이 핀치 밀봉부(12)로 확장됨에 의해, 개개의 층들이 전구 표면 부분에서 특히 균일하게 된다. 이는 컬러 에러(color error)를 감소시킨다. 전등 목(11)의 길이는 약 2.5mm이며 외측 직경은 약 6mm이다. 전구(10)의 내부에는 3.07mm의 길이와 1.87mm의 외측 직경을 가지며 축 상으로 배치된 발광 소자(15)뿐만 아니라, Xe : N = 88 : 12 비율의 약 6670 헥토파스칼(hPa)의 크세논(Xe)-질소(N) 혼합물과 220 ppm의 2브롬화메탄(dibromomethane)과의 혼합물로 만들어진 충전재(filling)가 들어 있다. 발광 소자(15)는 직경이 152㎛인 텅스텐 와이어로 만들어진다. 텅스텐 와이어는 243㎛의 리드(lead)와 함께 감겨서 단일 코일 필라멘트를 형성한다.

급전 리드(16a, 16b)는 필라멘트 와이어에 의해 직접 형성되며, 핀치 밀봉부(12)의 몰리브덴 박(foil)(17a, 17b)에 연결된다. 몰리브덴 박(17a, 17b)은 그 부분이 외부 베이스 핀(18a, 18b)에 연결된다. 제 1 급전 리드(16a)는 전등의 세로축에 실질적으로 평행하며 발광 소자(15)의 측면과 일직선으로 되어 있다. 발광 소자의 제 2 급전 리드(16b)는 전등 세로축 쪽으로 굽어져 있으며 발광 소자(15)의 권선 축을 따라 즉, 코일 필라멘트의 내부에서 베이스로부터 먼 쪽 말단으로 뻗어 있다. 이는 급전 리드에 의한 그늘을 방지해 준다.

전등(9)은 약 3050K의 색 온도를 가진다. 광속은 1000(lm)으로 약 28(lm/W)의 광수율(light yield)에 대응된다. 적외선 층이 없는 이와 비슷한 전등의 경우에는 동일한 광속을 얻는데 약 50W의 전력 소모가 필요하다. 결국, 비교에 의해 본 발명에 따른 전등을 사용하면 42% 까지의 전력이 절약될 수 있다는 것을 알 수 있다.

(동작 전압 12V인) 소비 전력 50W 와 60W의 할로겐 백열 전등에 대한 다른 두 실시예들은 전구 모선의 타원 변수와 필라멘트 변수들만이 차이가 있다. 두 경우 모두 설계는 도 1과 동일하다. 상기 변수들은 3개의 예시적 실시예에 대해 아래 표에 비교되어 있다.

	35 W	50 W	60 W
반장축 a (mm)	7.4	7.7	8.0
반단축 b (mm)	6.3	6.5	6.6
필라멘트 길이 W_l(mm)	3.07	3.75	4.02
필라멘트 직경 2 W_r(mm)	1.87	1.97	2.3
필라멘트 리드 (㎛)	243	297	346
와이어 직경 (㎛)	152	185	216

표 : 서로 다른 소비 전력을 가진 3개의 할로겐 백열 전등에 대한 몇몇 전구 및 필 라멘트 변수 비교

Claims

할로겐 백열 전등을 포함하는 백열 전등(9)으로서, 세로 축(RA)과 타원체 부분 윤곽(3)을 가지는 회전 대칭형 전구(2; 10)를 가지며, 상기 전등의 벽면에는 적외선 방사를 반사하는 층(14)이 제공되어 있으며, 상기 전구(2; 10)의 내부에 축 상으로 배치되어 두 개의 급전 리드들(16a, 16b)에 의해 지지되는 회전 대칭형 발광 소자(4; 15)를 가지며, 상기 두 개의 급전 리드들(16a, 16b)은 상기 전구(10)의 일측 또는 양측에서 하나 또는 두 개의 밀봉부(12)에 의해 기밀 방식으로 밖으로 유도되며, 상기 전구(2; 10)의 상기 타원체 부분 윤곽은 반장축(a)과 초점축()이 세로축에 수직하게 즉, 상기 전구(2; 10)의 회전축(RA)에 수직하게 방향 지어지는 타원의 선분(3)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 1 항에 있어서,

상기 부분 윤곽을 생성하는 상기 타원의 선분(3)의 상기 반장축(a)은 상기 전구(2; 10)의 최대 반경(R)보다 더 기다란 즉, a > R 인 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 2 항에 있어서,

R과 Wr 이 각각 상기 전구(2; 10)의 최대 반경과 상기 회전 대칭형 발광 소자(4; 15)의 최대 반경을 나타낼 때, 상기 반장축(a)의 길이는 R < a < R + 5 Wr의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 3 항에 있어서,

상기 반장축(a)의 길이는 R + Wr ≤ a < R + 3 Wr 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 1 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 층(14)은 상기 전등(9)의 외측 표면에 인가되며 상기 밀봉부(12)의 적어도 일부와 상기 전구(10)를 덮는 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 1 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 부분 윤곽을 생성하는 상기 타원(3) 선분의 반단축(b)의 길이는 Wl이 상기 발광 소자(4; 15)의 길이를 나타낼 때 Wl/2 < b < 3 Wl의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 1 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

하나의 말단 밀봉부(12)를 가진 전구(10)의 경우에 상기 발광 소자는 코일 필라멘트에 의해 구현되는데, 상기 밀봉부로부터 멀리 떨어진 상기 필라멘트의 급전 리드(16b)는 상기 코일 필라멘트(15)의 내부에서 되돌아 오는 것을 특징으로 하는 백열 전등.
제 1 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전구(10)는 적어도 하나의 말단에 가능한 좁게 적어도 하나의 급전 리드(16a, 16b)를 둘러싸는 전등 목(11)을 가지며, 상기 전구로부터 멀리 있는 상기 전등 목의 말단은 기밀 방식으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 백열 전등.