DE68915727T2

DE68915727T2 - Doppelkolbenhalogenlampe.

Info

Publication number: DE68915727T2
Application number: DE68915727T
Authority: DE
Inventors: Takumi Suwa; Tsutomu Watanabe
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2009-12-29
Also published as: KR900010902A; DE68915727D1; US5093601A; JPH02177248A; EP0376712B1; EP0376712A3; EP0376712A2; KR930008354B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Halogenlampen und insbesondere Halogenlampen mit Doppelkolben, wobei eine optische Interferenzschicht, die aus einem bestimmten Metalloxidmaterial besteht, entweder auf der äußeren Oberfläche eines Innenkolbens oder auf der inneren Oberfläche eines Außenkolbens aufgebracht ist. Dadurch wird das sichtbare Licht durchgelassen und die infrarote Strahlung der Lichtquelle reflektiert.
Doppelkolben-Halogenlampen wobei eine Halogenlampe luftdicht im Außenkolben eingeschlossen ist, werden, um eine hohe Lichtabgabe zu erzielen, in Reflektorlampen, z.B. in gekapselten Lampen eingesetzt. In die Halogenlampe ward eine vorgeschriebene Menge eines Halogens, z.B. Jod, Brom etc., oder einer Halogenverbindung eingeschlossen. Bei Betrieb nimmt die Temperatur des Innenkolbens der Halogenlampe stark zu, so daß ein Halogenkreislauf erfolgen kann. In den letzten fahren wurde die Doppelkolben-Halogenlampe so verbessert, daß sie nun einen hohen Wirkungsgrad hat und Licht mit geringem Infrarotanteil, d.h., sogenanntes Kaltlicht, abstrahlt.
Bei einer so verbesserten Doppelkolben-Halogenlampe ist auf der Außenwand des Innenkolbens eine optische Interferenzschicht aufgebracht. Diese läßt sichtbares Licht durch und reflektiert die infrarote Strahlung. Der abgeschlossene Raum zwischen dem Innen- und dem Außenkolben ist luftleer gepumpt, der Raum kann auch eine vorgeschriebene Menge eines Inertgases enthalten.
Die oben beschriebene Interferenzschicht enthält hochbrechende Schichten aus einem Metalloxid, z.B. aus Titanoxid (TiO&sub2;), Tantaloxid (TaO&sub2;) oder Zirkonoxid (ZrO&sub2;), und schwachbrechende Schichten aus einem anderen Oxidmaterial, z.B. aus Siliciumoxid (SiO&sub2;) oder Selenoxid (SeO&sub2;). Diese Schichten sind wechselweise, mit sechs bis einundzwanzig Schichten auf den Kolben aufgebracht.
Ob Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs durchgelassen oder reflektiert wird, hängt von der Dicke der jeweiligen Brechungsschicht ab. Läßt die optische Interferenzschicht das sichtbare Licht einer Lichtquelle, bspw. eines Filaments, durch und werden die infraroten Lichtanteile reflektiert, so kehren diese zum Filament zurück und heizen es auf. Hierdurch wird in der Halogenlampe eine gute Lichtausbeute erreicht. Da die Wärmeabfuhr vom Innenkolben der Doppelkolben-Halogenlampe jedoch schlecht ist, heizt sich dieser bei Betrieb äußerst stark auf. Die Temperatur des Sockels der Halogenlampe erreicht dabei nahezu dessen Temperatur.
Bei Betrieb erreicht in der oben beschriebenen, herkömmlichen Doppelkolben-Halogenlampe die optische Interßerenzschicht eine Temperatur von 500 bis 800ºC. Kommt die optische Interferenzschicht bei längerem Betrieb des öfteren auf so hohe Temperaturen, wird sie schwarz und verliert ihre anfänglichen optischen Eigenschaften. Die Lichtabgabe der Halogenlampe nimmt erheblich ab.
Gegenstand der Erfindung ist daher, wie auch bei längeren Betriebszeiten die ursprünglichen Eigenschaften der optischen Interferenzschicht einer Doppelkolben-Halogenlampe erhalten werden können.
Erfindungsgemäß wird eine Doppelkolben-Halogenlampe zur Verfügung gestellt, umfassend einen Außenkolben;
einen im Außenkolben angeordneten Innenkolben, der damit innerhalb des Außenkolbens einen abgeschlossenen Raum bestimmt, wobei der Innenkolben innen ein Filament hat, das Licht aussenden kann; und
eine optische Interferenzschicht, die auf einer inneren Oberfläche des Außenkolbens und/oder der äußeren Oberfläche des Innenkolbens angebracht ist und aus dem elektromagnetischen Spektrum Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektieren kann, wobei die optische Interferenzschicht einen Bestandteil enthält, der bei höheren Temperaturen reduziert wird;
dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum eine oxidierende Atmosphäre enthält, damit die Reduktion der optischen Interferenzschicht gehemmt wird.
Die genannten sowie weitere Eigenschaften und Vorzüge der Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung, den Abbildungen sowie den Ausführungsformen ersichtlich. Gleiche Bezugszeichen in den Abbildungen bezeichnen gleiche Strukturelemente. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitendarstellung, teilweise im Querschnitt, einer gekapselten Halogenlampe vom Doppelkolbentyp;
Fig. 2 in Vergrößerung einen Querschnitt des Innenkolbens der Halogenlampe nach Fig. 1; und
Fig. 3 in Vergrößerung einen Querschnitt der optischen Interferenzschicht, die auf dem Innenkolben der Halogenlampe nach Fig. 2 aufgebracht ist.
Die Erfinder haben untersucht, wie sich die Eigenschaften der Metalloxide, die in der optischen Interferenzschicht der Doppelkolben-Halogenlampen verwendet werden, chemisch verändern. Es wird nun der chemische Prozeß, der bei der optischen Interferenzschicht zum Verlust der ursprünglichen optischen Eigenschaften führt, anhand dieser Untersuchungen beschrieben.
Eine "De-Oxidation" oder Reduktion eines Metalloxids der optischen Interferenzschicht, z.B. von TiO&sub2;, TaO&sub2;, SeO&sub2; usw., erfolgt wenn die Temperatur der optischen Interferenzschicht 500ºC übersteigt und zwar auch, wenn die optische Interferenzschicht länger in einem Inertgas wie Argon, Stickstoff, usw., oder unter Vakuum erhitzt wird. Das Metalloxid wird nach und nach zu einer niedrig oxidierten Substanz umgewandelt und schließlich zu Metall reduziert. Erfolgt in der optischen Interferenzschicht einer Doppelkolben-Halogenlampe eine solche "De-Oxidation" des Metalloxids, verändert sich der Wellenlängenbereich, in dem Licht durchgelassen bzw. reflektiert wird; die ursprünglichen Eigenschaften der optischen Interferenzschicht gehen damit verloren.
Auf der Grundlage der obigen Darstellung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Doppelkolben-Halogenlampe 11, die aus einem trichterförmigen Außenkolben 13 und einem darin angeordneten Innenkolben 15 bestehe. Der Außenkolben 13 enthält einen aluminiumbeschichteten Parabolreflektor 7 (im weiteren mit PAR abgekürzt) als Teil eines gekapselten Kolbens und ein Linsenelement 19, das am vorderen Ende des Kolbenteils 17 mit Epoxyharzkleber 21 befestigt ist. Das Linsenelement 10 und der Kolbenteil 17 können auch durch eine Glasverschweißung miteinander verbunden sein. Auf der inneren Oberfläche des Teils 17 vom gekapselten Kolben wird eine aluminisierte Reflexionsschicht 23 aufgebracht. Diese ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Zwei Halter (nicht gezeigt), die zum Teil die elektrischen Versorgungseinrichtung der Lampe bilden, sind an der verschlossenen Rückwand des Kolbenteils 17 angeschweißt und dienen als Befestigung für die Halterungsdrähte 24 (siehe Fig. 2). Die beiden 1 mm dicken und 40 mm langen Anschlußdrähte sind aus Nickel. Sie bringen den Innenkolben 15 an einer geeigneten Stelle im Außenkolben 13 an. Am hinteren Ende des Kolbenteils 17 befindet sich eine Schraubkappe 25, die mit den Halterungsdrähten 24 elektrisch verbunden ist.
Auf der äußeren Oberfläche des Innenkolbens 15 befindet sich eine optische Interferenzschicht 27. Sie ist durch eine punktierte Linie dargestellt.
Es wird nun der Aufbau des Innenkolbens 15 beschrieben. Siehe Fig. 2. Der Innenkolben 15 enthält ein Rohr 31 aus hitzebeständigem Glas, z.B. Quarzglas oder dergleichen. Die einander gegenüberliegenden Enden des Rohrs 31 sind verschlossen, wobei eines der gegenüberliegenden Enden so zusammengepreßt wurde, so es einen flachen Sockel 33 bildet. Im flachen Sockel 33 befinden sich parallel zueinander zwei Blechfolien 35 aus Molybdän. Ein Ende eines ersten inneren Bleidrahts 37 ist mit einer der Molybdänblechfolien 35 verbunden, das andere Ende verläuft entlang der inneren Oberfläche des Rohrs 31 bis zum anderen Rohrende. Ein Ende eines zweiten inneren Bleidrahts 39 ist mit der anderen Molybdänblechfolie 35 verbunden, und das andere Ende befindet sich in der Nähe des flachen Sockels 33. Der Sockelabschnitt eines jeden inneren Bleidrahts 37, 39 wird von einem Isolierträger 41 im Inneren der Röhre 31 gehalten. Das andere Ende des ersten inneren Bleidrahts 37 und das andere Ende des zweiten inneren Bleidrahts 39 stehen einander in vorgeschriebenem Abstand entlang einer verlängerten Mittelachse der Röhre 31 gegenüber.
Ein Wolframfilament 43 erstreckt sich zwischen den gegenüberliegenden Enden des ersten 37 und des zweiten 39 inneren Bleidrahts. Der mittlere Teil des Wolframfilament 43 wird von einem Ende eines Drahtbügels 45 gehalten, dessen anderes Ende im Isolierträger 41 befestigt ist. Ein Ende jedes der äußeren Bleidrähte 47 ist jeweils mit einer Molybdänblechfolie 35 verbunden, das jeweils andere Ende ragt aus der Röhre 31 hinaus. Das überstehende Ende eines jeden äußeren Bleidrahts 47 ist mit dem Befestigungsdraht 24 verbunden, wodurch ein elektrischer Anschuß und eine mechanischen Abstützung erreicht wird. Eine vorgeschriebene Menge Halogens ist zusammen mit einer vorgegebenen Menge an Inertgas, z.B. Argon oder Stickstoff, in der Röhre 31 eingeschlossen. Die Mengen an Halogen und Inertgas entsprechen denen in herkömmlichen Halogenlampen. Die auf der äußeren Oberfläche der Röhre 31 angebrachte optische Interferenzschicht 27 ist so ausgelegt, daß sie infrarotes Licht reflektiert und sichtbares durchläßt.
Der Aufbau der optischen Interferenzschicht 27 ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die optische Interferenzschicht 27 enthält eine hochbrechende Schicht 27H aus Metalloxiden, bevorzugt sind TiO&sub2;, TaO&sub2; oder ZrO&sub2;, und eine schwachbrechende Schicht 27L aus einem Oxidmaterial, vorzugsweise aus SiO&sub2; oder SeO&sub2;. Die Schichten 27H und 27L sind wechselnd auf der äußeren Oberfläche der Röhre 31 des Innenkolbens 15 aufeinander angebracht. In diesem Fall ist zunächst eine hochbrechende Schicht 27H auf der äußeren Oberfläche der Röhre 31 angebracht; die schwachbrechende Schicht 27L wird dann auf der hochbrechenden Schicht 27H angebracht. Auf diese Weise werden hochbrechende Schichten 27H und schwachbrechende Schichten 27L abwechselnd in insgesamt 6 bis 21 Lagen aufeinander angebracht. Für die Dicke einer jeden brechenden Schicht 27H und 27L wird ein passender Wert gewählt, so daß durch Lichtinterferenz ein bestimmter Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums, z.B. der IR-Anteil, reflektiert wird.
In dieser Ausführungsform wird der vom Außenkolben 13 und vom Innenkolben 15 begrenzte Raumbereich 49 mit einer schwach oxidierenden Atmosphäre befüllt.
Ein Inertgas aus 90 Vol.% Argon und 10 Vol.% Stickstoff wird bei einem Druck von 40 - 203 kPa (300 - 1520 Torr) zusammen mit Sauerstoff (etwa 500 - 1000 ppm) und einem Druck von 37 - 80 Pa (0.28 - 0.8 Torr) im Raumbereich 49 eingeschlossen.
Wird dem Wolframfilament 43 in der oben beschriebenen Doppelkolben-Halogenlampe Energie zugeführt, so heizt sich das Filament 43 auf eine hohe Temperatur auf und erzeugt Licht im sichtbaren und infraroten Bereich. Gelangt das vom Filament 43 erzeugte Licht durch den Innenkolben 15 in die optische Interferenzschicht 27, werden durch Lichtinterferenz die infraroten Lichtanteile reflektiert. Die sichtbaren Lichtanteile werden durchgelassen. Das durch die optische Interferenzschicht 27 hindurchgegangene, sichtbare Licht wird von der aluminisierten Reflexionsschicht 23 reflektiert. Es gelangt dann durch das Linsenelement 19 aus dem Außenkolben 13 hinaus. Das von der optischen Interferenzschicht 27 reflektierte Infrarotlicht kehrt zum Filament 43 zurück und heizt dieses auf. Dadurch verbessert sich die Lichtausbeute der Lampe 11 erheblich.
Während des Betriebs der oben beschriebenen Lampe 11 wird die Röhre 31 zusammen mit dem Sockel 33 vom Filament 43 auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Wegen der Doppelkolbenkonstruktion wird die Röhre 31 jedoch schlecht gekühlt. Dadurch steigt die Temperatur der Röhre 31 und der optischen Interferenzschicht 27 bis auf 800ºC an. Der Sockel 33 der Röhre 31 erreicht dabei im wesentlichen die Temperatur der Röhre 31. Trotzdem erfolgt in dem Metalloxidmaterial einer jeden brechenden Schicht weder eine Oxidation noch eine Reduktion (De-oxidation), und die ursprüngliclie Metalloxidzusammensetzung einer jeden brechenden Schicht, z.B. der Oxidationszustand von TiO&sub2; oder SiO&sub2;, bleibt auch bei längerem Betrieb erhalten. Dies wird dadurch erreiche daß der Raumbereich 49 mit einem Inertgas befüllt wurde, das ein geringe Menge Sauerstoff enthielt, so daß sich der Sauerstoffdruck aufgrund der Abspaltung aus den Metalloxiden und der Sauerstoffdruck im Raumbereich 49 im Gleichgewicht befinden. Wenn das Metalloxidmaterial der Brechungsschichten 27H und 27L zerfällt und der Sauerstoff in den Raumbereich 49 abgeht, wird auf diese Weise wieder das Metalloxidmaterial einer jeden brechenden Schicht 27H und 27L durch den Sauerstoff im Raumbereich 49 reoxidiert. Die ursprünglichen optischen Eigenschaften der optischen Interferenzschicht 27 bleiben so für eine längere Betriebsdauer erhalten. Da sich die Wellenlängenbereiche, die von der optischen Interferenzschicht 27 durchgelassen bzw. reflektiert werden, nicht ändern, nimmt der Lichtdurchlaßfaktor der Schicht ebenfalls nur gering ab. Da der Sauerstoffgehalt im Raumbereich 49 zudem gering ist, werden die Molybdänfolien 35 kaum oxidiert, obwohl sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind, auch wenn das im Raumbereich 49 eingeschlossene Gas entlang der äußeren Bleidrähte 47 in den flachen Sockel 33 der inneren Röhre 15 eindringt. Die Gesdichtigkeit der Innenröhre 15 ist somit auch bei längerem Betriebszeiten nicht beeinträchtigt.
Erfindungsgemäß wird gefordert, daß der geringe Sauerstoffgehalt im Raumbereich 49 weder eine Deoxidation der optischen Interferenzschicht 27 noch eine Oxidation der Molybdänblechfolien 35 und der äußeren Bleidrähte 47 bewirkt. Aus diesem Grund ist es günstig, dem Inertgas, z.B. Argon oder Stickstoff, das in den Raumbereich 49 unter einem üblichen Einschlußdruck von 40 - 203 kPa (300 - 1520 Torr) eingebracht wurde, Sauerstoff mit einem Partialdruck von 1.01 Pa - 10.1 kPa (0.0076 - 76 Torr) beizumischen. Wegen der Genauigkeit, mit der sich eine korrekte Menge Sauerstoff dem Inertgas zugeben läßt, wird der Sauerstoff jedoch vorzugsweise diesem mit einem Partialdruck von 5.33 - 440 Pa (0.04 - 3.3 Torr) (etwa 100 - 5000 ppm) zugesetzt, wobei der Raumbereich 49 mit einem Inertgasdruck von 60 - 87.7 kPa (450 - 650 Torr) befüllt wird.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Erfindung auf eine gekapselte Halogenleuchte angewendet worden. Die Erfindung ist jedoch auch geeignet für Doppelröhren-Halogenlampen, bei denen ein rohrförmiger Innenkolben koaxial in einem rohrförmigen Außenkolben steckt und eine optische Interferenzschicht mindestens entweder auf der inneren Oberfläche des Außenkolbens oder auf der äußeren Oberfläche des Innenkolbens angebracht ist. Ähnliche Ergebnisse wie in der oben beschriebenen Ausführungsform sollten sich auch dann erzielen lassen, wenn die Temperatur der Doppelröhren-Halogenlampe auf über 500ºC steigt.

Claims

1. Doppelkolben-Halogenlampe, enthaltend einen Außenkolben (13);

einen im Außenkolben angeordneten Innenkolben (15), der einen abgeschlossenen Raum im Außenkolben begrenzt, wobei der Innenkolben ein Filament hat, das Licht abstrahlen kann; und

eine optische Interferenzschicht (27), die auf mindestens der inneren Oberfläche des Außenkolbens oder der äußeren Oberfläche des Innenkolbens angeordnet ist und aus dem elektromagnetischen Spektrum Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektieren kann, wobei die optische Interferenz schiebt einen Bestandteil enthält, der bei höheren Temperaturen reduziert wird;

dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum eine oxidierende Atmosphäre enthält, damit eine Reduktion der optischen Interferenzschicht verhindert wird.

2. Lampe nach Anspruch 1, wobei die oxidierende Atmosphäre eine vorgeschriebene Menge Inertgas bei einem Fülldruck von 40 bis 203 kPa (300 - 1520 Torr) enthält.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine vorgeschriebene Menge Sauerstoff mit einem Partialdruck im Bereich von 1.01 Pa bis 10.1 kPa (0.0076 - 76 Torr) in der oxidierenden Atmosphäre enthalten ist.

4. Lampe nach Anspruch 3, wobei in der oxidierenden Atmosphäre Sauerstoff mit einem Partialdruck im Bereich von 5.33 bis 440 Pa (0.04 - 3.3 Torr) enthalten ist.

5. Lampe nach Anspruch 4, wobei in der oxidierenden Atmosphäre Sauerstoff mit einem Partialdruck im Bereich von 37 bis 80 Pa (0.28 - 0.6 Torr) enthalten ist.

6. Lampe nach irgendeinem Anspruch 2 bis 5, wobei im Inertgas Argon enthalten ist.

7. Lampe nach irgendeinem Anspruch 2 bis 6, wobei im Inertgas Stickstoff enthalten ist.

8. Lampe nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Außenkolben einen trichterförmigen Körper (17) umfaßt, dessen erste Kante einen ersten Durchmesser und dessen zweite Kante einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, besitzt sowie ein Linsenelement (19), das einstückig an der zweien Kante des trichterförmigen Körpers befestigt ist.

9. Lampe nach Anspruch 8, wobei der Außenkolben eine optische Reflexionsschicht (23) auf der Innenwandung des trichterförmigem Körpers hat.

10. Lampe nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Außenkolben Einrichtungen (24) zur Halterung des Innenkolbens enthält, die gegenüber der optischen Reflexionsschicht angebracht sind.

11. Lampe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Außenkolben eine Kappe (25) enthält, die an der ersten Kante des trichterförmigen Körpers angebracht ist.

12. Lampe nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die optische Interferenz schiebt auf der äußeren Oberfläche des Innenkolbens oder der inneren Oberfläche des Außenkolbens angebracht ist und eine erste Schicht (27H) mit vorgeschriebener Brechzahl enthält sowie eine zweite, auf der ersten Schicht angebrachte Schicht (27L) mit vorgeschriebener Brechzahl, deren Brechzahl kleiner ist als die der ersten Schicht, wobei die erste Schicht eine Metalloxidsubstanz enthält und die zweite Schicht eine zweite Metalloxidsubstanz, die sich von der ersten Metalloxidsubstanz unterscheidet, enthält.