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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Glühlampe mit Leuchtkörper
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige
Lampen werden für die Allgemeinbeleuchtung, für
fotooptische Zwecke und in der Automobilbeleuchtung verwendet.
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Stand der Technik
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Glühlampen
und Halogenglühlampen besitzen gegenüber Entladungslampen
den Vorteil, dass sie keine hochgiftigen Stoffe wie Quecksilber
enthalten und schnell geschaltet werden können. Im Gegensatz
zu Entladungslampen und auch LEDs kommen sie ohne komplexe Vorschaltgeräte
aus und besitzen eine bessere Farbwiedergabe und sind zudem noch
kostengünstiger bezogen auf die erzeugte Lichtmenge.
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Die
Lebensdauer von Lampen, bei welchen die Lichterzeugung auf dem Prinzip
der Glühemission beruht, wird meist durch die Verdampfung
bzw. Zersetzung des Leuchtkörpermaterials bestimmt.
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So
wird die Lebensdauer von Lampen mit Glühkörpern
aus Wolfram (d. h. Glühlampen bzw. Halogenglühlampen)
meist durch die Verdampfung des Wolframs bestimmt. Daneben gibt
es noch eine große Anzahl weiterer Ausfallmechanismen,
z. B. Wendelendenkorrosion durch chemischen Angriff eines Halogenzusatzes
auf das kältere Wendelende, Durchschmelzen der Wendel nach
Entstehung eines Lichtbogens, Versagen der Wendel durch abgleitende
Korngrenzen, usw.. Diese Mechanismen spielen jedoch meist nur bei
einzelnen Lam pentypen (z. B. ist die Lichtbogenbildung bei einigen
besonders hochbelasteten Lampentypen die primäre Ausfallursache) bzw.
bei fehlerhaften Lampen (z. B. Lampen mit einem erhöhten
Verunreinigungspegel an Sauerstoff) eine Rolle. Die meisten Glühlampen
sind so ausgelegt bzw. werden so betrieben, dass das Lebensdauerende
letztendlich durch die Wolframverdampfung bestimmt wird. Das abgedampfte
Wolfram wird in Richtung der Kolbenwand transportiert.
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Ähnlich
verhält sich die Situation bei Lampen mit Leuchtkörpern
aus Metallcarbid. Lampen mit Leuchtkörpern aus Tantalcarbid
haben den Vorteil, dass sie bei um ca. 500 K höheren Temperaturen
betrieben werden können als Lampen mit Leuchtkörpern
aus Wolfram.
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Die
von einer Glühlampe emittierte Strahlung hängt
im wesentlichen von 3 Faktoren ab, nämlich der Leuchtkörpertemperatur
T, dem spektralen Emissionsgrad Epsilon und der strahlenden Oberfläche (Stefan-Boltzmann-Gesetz).
Bei den Glühlampen sind die beiden ersten beiden Faktoren
durch die Schmelztemperatur und den temperatur- und wellenlängenabhängigen
spektralen Emissionsgrad Epsilon des Leuchtkörpermaterials
begrenzt. Die strahlende Oberfläche einesr Wendeldrahts
berechnet sich gemäß der Gleichung: Oberfläche
A = pi·Drahtdurchmesser·wirksame Drahtlänge.
Ein typischer Wert für eine 12 V 50 W Lampe beträgt
ca. 30 mm2. Das emittierte Licht ergibt
sich aus der emittierten Strahlung durch Bewertung mit der Empfindlichkeit des
Auges (dargestellt durch die so genannte V(Lambda)-Kurve). Der größte
Teil der von thermischen Strahlern emittierten Leistung entfällt
auf das Infrarote, ist also für die Lichterzeugung verloren.
Daher ist der Wirkungs grad von Glühlampen gering, d. h.
nur ein geringer der zugeführten elektrischen Leistung
wird zur Erzeugung von Licht verwandt.
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Nachteilig
auf den Wirkungsgrad wirken sich Verluste aus, die im wesentlichen
von der Neben der in in IR-Strahlung umgesetzten Leistung (ca. 60%) spielen
weitere Verluste eine Rolle, so z. B. von den die Endenverlusten
durch Wärmeleitung (ca. 10%) sowie die en Füllgasverlusten
durch Wärmeleitung (ca. 10%) werden. Um die IR-Verluste
signifikant zu reduzieren, wurden selektiv IR-Sstrahlung reflektierende
Beschichtungen (IRC = infrared reflecting coating) für
den Kolben der Glühlampen entwickelt. Die am Kolben reflektierte
IR-Strahlung soll möglichst auf den Leuchtkörper
zurück reflektiert werden, um dort zur Aufheizung des Leuchtkörpers
verwandt zu werden. Dadurch kann im Gegenzug die ein-gebrachte elektrische
Leistung reduziert werden. Inwieweit die am Kolben reflektierte
IR-Strahlung zurück auf den Glühkörper
reflektiert wird, hängt im wesentlichen von geometrischen
Faktoren ab. Optimal sind dafür naturgemäß planare
Geometrien wie z. B. Wichtig hierbei ist, dass die reflektierende
IR-Strahlung auf die Glühwendel fokussiert wird und eine
große Absorptionswahrscheinlichkeit für die IR-Strahlung
vorliegt, wie z. B. in in
DE-A
198 43 853 beschrieben.
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Besonders
drastisch hinsichtlich einer Vergrößerung der
Effizienz von Glühlampen wirkt sich aus, wenn man die Temperatur
des Leuchtkörpers vergrößern kann. Hierbei
kommt zum tragen, dass zum einen dem (um die Emissivität
des Materials korrigierten) Stefan-Boltzmann Gesetz folgend die
insgesamt emittierte Strahlung mit etwa der vierten Potenz der Leuchtkörpertemperatur
ansteigt. Der Anstieg des emittierten Lichts ist noch viel größer,
weil ein immer größerer Bruchteil der insgesamt
emittierten Strahlung auf den sichtbaren Spektralbereich entfällt
(Wienscher Verschiebungssatz). Bei Leuchtkörpern aus Wolfram
kommt noch hinzu, dass der Emissionskoeffizient im sichtbaren Spektralbereich größer
ist als im IR. So nimmt bei Glühlampen mit Leuchtkörpern
aus Wolfram das emittierte Licht typischerweise mit etwa der 9.
Potenz der Temperatur zu.
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Zur
Will man eine weiteren Effizienzverbesserung bei Glühlampen
kannmuss man Tantalkarbid oder andere Metallkarbide, -nitride oder
-boride als Filamentmaterial verwenden, welche einen höheren Schmelzpunkt
als Wolfram aufweisen und daher bei erhöhter Temperatur
betrieben werden können. Z. B. hat Tantalkarbid, das gegenüber
dem Wolfram Vorteile sowohl eine um ca, 500 K höherebei
der Schmelztemperatur als auch einen um ca. 30% höheren
spektralen Emissionsgrad (bei ca. 3000 K) besitzt.
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Die
Glühlampen mit den höchsten Effizienzen sind daher
Tantalkarbidlampen, deren Glas- oder evtl. auch Keramikkolben ähnlich
wie bei den bekannten Wolfram IRC-Lampen mit einer wärmereflektierenden
dichroitischen Mehrfach-Schicht versehen ist. Mit diesen genannten
Maßnahmen sind bei Halogenglühlampen Effizienzen
von bis zu 50 lm/Watt bei einer Referenzlebensdauer von 1000 h möglich.
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Bei
der Auslegung von Leuchtkörpern ist man zunächst
bestrebt, die Vorgabewerte für die lichttechnischen Daten einzustellen.
Die wichtigsten Größen hierfür sind für
den elektrischen Widerstand wirksamer Querschnitt, die wirksame
Leiterlänge sowie die strahlende Oberfläche. Vergrößert
man unter sonst gleichen Randbedingungen (Geometrie, Füllgas,
Fülldruck, usw.) die strahlende Oberfläche, so kommt
es zu einer Absenkung der Temperatur des Glühkörpers.
Insgesamt wird bei konstanter angelegter Spannung weniger Strahlung
bzw. Licht emittiert, weil der Effekt der Absenkung der Leuchtkörpertemperatur
denjenigen der Vergrößerung der strahlenden Oberfläche überkompensiert.
D. h. die Lichtausbeute sinkt ab. Möchte man den Lichtstrom
wieder auf den Ausgangswert korrigieren, so muss man das Verhältnis
aus wirksamen Leiterquerschnitt und wirksamer Leiterlänge
vergrößern, was sich hinsichtlich einer Reduzierung
der wirksamen Leiterlänge nutzen lässt. Auf diese
Weise kann man Leuchtkörper kompakter auslegen, was zu
einer Erhöhung der Leuchtdichte führt und somit
vorteilhaft für Anwendungen in optischen Systemen ist.
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Bei
Gebrauch von herkömmlichen Glühwendeln, welche
aus einem einfach oder mehrfach verwickelten Leuchtdraht bestehen,
kann man die drei Größen (1) elektrisch wirksamer
Leuchtkörperquerschnitt, (2) wirksame Leuchtkörperlänge
und (3) strahlende Oberfläche nicht unabhängig
voneinander einstellen, weil durch die Geometrie des Drahtes die Verhältnisse
zwischen den Größen zum Teil festgelegt sind.
Man hat nur die zwei Parameter Drahtradius und Drahtlänge
zur Einstellung der drei Größen wirksamer Querschnitt,
wirksame Länge und strahlende Oberfläche zur Verfügung.
Die Wahl der wirksamen Drahtlänge kann trivialerweise unabhängig von
den anderen Größen erfolgen. Nach der Festlegung
der wirksamen Drahtlänge ist jedoch das Verhältnis
aus strahlender Oberfläche und dem Drahtquerschnitt durch
den Radius festgelegt. Daraus folgt, dass man geometrische Änderungen
an der Geometrie des Leuchtkörpers vornehmen muss, um die
drei wichtigen Größen Leiterlänge, Leiterquerschnitt
und strahlende Oberfläche unabhängig voneinander
einzustellen, d. h. zu entkoppeln.
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Eine
Möglichkeit, die drei genannten Größen zumindest
in einem eingeschränkten Werte-Bereich zu entkoppeln und
den Leuchtkörper in oben beschriebener Weise kompakter
auszulegen, besteht im Gebrauch von Umspinnungswendeln wie z. B.
in
US-A 3 237 284 beschrieben.
Weitere Optionen zur Vergrößerung der strahlenden
Oberfläche gegenüber den Verhältnissen
bei einem verwendlelten Draht sind:
- – Eingeprägte
Rillen in den Draht;
- – Oberflächenbeschichtung des Drahtes mittels CVD
und PVD. Hier kommt es zu einer Vergrößerung der
strahlenden Fläche aufgrund der „raueren" Oberfläche;
- – Betrieb an Gleichstrom, wodurch sich facettenartige
Kornstruktur bzw. Sägezahnstruktur ausbildet;
- – Schuppige Oberfläche durch Reduktion von
anhaftendem Wolframoxid.
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Alle
diese genannten Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche
sind jedoch aufwändig und weisen zum Teil nur eine geringe
Flexibilität auf. Das mechanische Einprägen von
Rillen ist relativ unflexibel; zudem besteht das Risiko einer weiteren
Schädigung des Drahtes. Eine Oberflächenbeschichtung mittels
CVD oder PVD ist sehr aufwändig; zumindest zur alleinigen
Vergrößerung der Oberfläche ist dieser Aufwand
nicht gerechtfertigt. Eine Vergrößerung der Oberfläche
durch Betrieb des Leuchtdrahtes an Gleichspannung ist wegen der
dazu erforderlichen langen Zeiten unpraktikabel, zudem bilden sich
dabei zum Teil Einkerbungen, welche zur Ausbildung von Hot Spots
Anlass geben. Der durch Reduktion von Wolframoxiden erzeugte Draht
mit Wolframschuppen auf der Oberfläche lässt sich
nur meist nur schwer verarbeiten, zudem ist eine definierte Vergrößerung der
Oberfläche schwierig. Die am ehesten anwendbare Methode
ist der Gebrauch von Umspinnungswendeln.
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Im
Lampenbetrieb kommt es zu einem langsamen Zusammenschmelzen der
Strukturen. Dieses Zusammenschmelzen erfolgt umso schneller, je
höher die Temperatur ist. D. h. die Vorteile der Strukturierung
der Oberfläche bestehen insbesondere zu Beginn der Brenndauer.
Je geringer das Ausmaß der Modifikation der Oberfläche
ist, um so schneller kommt es zu einem Zusammenschmelzen der Strukturen
und einem Verlust der beschriebenen Vorteile. Z. B. sintern auf
der Oberfläche des Leuchtdrahts abgelagerte Wolframschuppen
innerhalb kurzer Zeiten (meist einiger Minuten) mit dem Wolframdraht
zusammen, während die Vorteile einer Umspinnungswendel
länger bestehen bleiben.
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Ein
Nachteil bei allen als Wendel ausgelegten Leuchtkörpern
stellt die sogenannte Strahlungsschwärzung dar. Zur Erläuterung
dieses Effekts muss zunächst angeführt werden,
dass es sich bei den meisten zur Lichterzeugung verwandten Materialien wie
Wolfram oder Metallkarbiden um „Selektivstrahler" handelt.
D. h. ein mit gegenüber dem schwarzen Strahler erhöhter
Anteil der insgesamt emittierten Strahlung wird im Sichtbaren emittiert
und dafür weniger Leistung als IR-Strahlung „verschwendet".
Wird von einem verwendelten Leuchtdraht Strahlung in das Wendelinnere
reflektiert, so wird diese Strahlung an anderen Windungen zum Teil
reflektiert, zum Teil auch absorbiert und reemittiert. Dadurch kommt
es zu einem Verlust der Selektivstrahlereigenschaften, d. h. das
emittierte Spektrum gleicht mehr und mehr demjenigen des schwarzen
Strahlers. Bei solchen verwendelten Glühdrähten
könnte man einer Ver-ringerung der Strahlungsschwärzung
durch eine Vergrößerung der Wendelsteigung erreichen.
Dies würde jedoch der Forderung nach einem kompakten Leuchtkörper
widersprechen. Zusätzlich erhöht sich die Wärmeableitung
an die Gasphase.
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Die
oben aufgeführten Optionen zur Vergrößerung
der strahlenden Oberfläche (d. h. Umspinnungswendeln, eingeprägte
Rillen, Oberflächenbeschichtungen, DC-Betrieb, W-Schuppen
auf der Oberfläche) sind zum Teil auch mit einer Zunahme der
Strahlungsschwärzung verbunden, verursacht durch den Transport
von Strahlung zwischen den einzelnen Strukturen der Oberfläche.
Sie betreffen zudem meist die gesamte Drahtoberfläche,
d. h. auch die in das Wendelinnere emittierte Strahlung. An dieser
Stelle besteht somit ein Verbesserungspotenzial, da eine verstärkte
Ab-strahlung in das Wendelinnere meist keine Vorteile bringt. Wünschenswert
ist eine selektive Verstärkung der Abstrahlung in die äußere Umgebung
der Wendel.
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Optimal
hinsichtlich einer Vermeidung einer Strahlungsschwärzung
ist die Verwendung von planaren Leuchtkörpergeometrien.
Durch Variation der Dicke des „Leuchtbands" kann der wirksame
Querschnitt unabhängig von der Größe
der strahlenden Oberfläche variiert werden; im Gegensatz zu
Leuchtdrähten, wo das Verhältnis aus Querschnitt
und strahlender Oberfläche nach Festlegung der wirksamen
Länge durch den Radius festgelegt ist. Allerdings ist die
theoretisch für solche bandförmigen Leuchtkörper
gegebene Flexibilität dadurch beschränkt, dass
sich sehr dünne Bänder mit Dicken deutlich unter
10 μm nur noch schwer handeln lassen. Diese sogenannten „Bandlampen"
sind allerdings sehr ungünstig hinsichtlich der auf die
große Fläche zurückzuführenden
großen Wärmeverluste sowie der großen
Stoff-transportraten über das Füllgas, die den
Vorteil der Abwesenheit der Strahlungs-schwärzung weit überkompensieren.
Somit werden Bandlampen bisher nur für Sonderanwendungen
eingesetzt werden, vgl. die auf dem Markt erhältlichen „wissenschaftlichen"
Lampen für Kalibrationszwecke. Eine weitere Anwendung wird
beschrieben in
M. Tuma, K. King, L. Kim, R. Hansler, E. Jones,
T. George, „MEMS Incandescent Light Source", Proceedings
of SPIE Vol. 4134 (2000). Hier wird z. B. mittels naßchemischer
Verfahren ein aus einem spiralförmig verwickelten Band
bestehender Leuchtkörper erzeugt, der in einer Flachlampe
betrieben wird. Der Leuchtkörper wird bei ca. 2650 K betrieben. Die
Lampe wird für wissenschaftliche Anwendungen in der Raumfahrt
eingesetzt. In
US 6259193 werden bandförmige
Leuchtkörper beschrieben, bei denen ein Band aus Leuchtkörpermaterial
z. B. so aus einer „Platte" herausgeschnitten wird, dass
man einen mäanderförmigen Verlauf des Bandes erhält.
Der Breite des Bandes kann dabei so variert werden, dass man eine
möglichst gleichmässige Temperaturverteilung längs
des Bandes erhält. Alternativ können auch „Slots"
im Band eingebracht werden, welche die Stromdichte z. B. nahe der
Enden des Bands erhöhen. Die aus mäanderförmigen
Bändern bestehende Glühkörper müssen
nicht eben sein, sondern können auch leicht gekrümmt
sein. Eingesetzt werden diese Glühkörper vor allem
zur Glühemission von Elektronen in den jeweiligen Anwendungen,
z. B. in Röntgenröhren. In neuester Zeit besteht
wieder ein spezielles Interesse an planaren Leuchtkörpern
im Zusammenhang mit der Nutzung des IRC-Effekts, vgl.
DE 198 43 853 . Wie dort beschrieben
ist die planare Geometrie optimal hinsichtlich einer Nutzung des IRC-Effekts,
weil sich so ein größerer Bruchteil der vom Schichtsystem
auf der Kolbenwand reflektierten IR-Strahlung auf den Leuchtkörper
zurückwerfen lässt. gäußere
1.
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Die
Lichtemission wird über den temperaturabhängigen
spektralen Emisionsgrad und die Oberflächenbeschaffenheit
des Drahtes sowie Wendelgeometrie bestimmt.
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Die
Temperatureinfluss auf die Gesamtstrahlungsemission im Bereich 400–800
nm wird im Nachfolgenden nicht weiter beschrieben. Erhöht
man die Temperatur, wird zwar gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz
die Effizienz verbessert, aber es kommt in der Regel zu dem anfangs
beschriebenen beschleunigten Hot-Spot-Ausfallmechanismus und damit
zu einer verkürzten Lebensdauer.
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Der
Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass
sich auch die Emissivität des Materials durch eine Feinstrukturierung
der Oberfläche erhöhen lässt. Dazu ist
die Erzeugung von Strukturen im sub-μm Bereich erforderlich
(„Nanotechnologie"). Z. B. lässt sich die Emissivität
von Wolfram durch Ionenätzen deutlich erhöhen,
vgl. z. B.
US 5 152 870 und
dem dort zitierten Stand der Technik. Aller dings verschwinden diese
feinen Strukturen bei Verwendung von Wolfram als Glühmaterial
beim Erhitzen auf typische Betriebstemperaturen von Glühkörpern
sehr schnell, so dass diese Technik für praktische Anwendungen
an Glühlampen weniger nicht geeignet ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Glühlampe
bereitzustellen mit verbesserter Emissivität des Leuchtkörpers.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, dafür geeignete Verfahren anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 15 bzw. 17.
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Inhalt
Ziel der Aufgabenstellung Erfindung ist es daher, bei gleichbleibender
Temperatur des Leuchtkörpers (z. B. bei Wolframlampen 26700
K bis 3400 K, bei Tantalkarbidlampen 3000 K bis 3600 K) die Lichtemission
durch eine vergrößerte Oberfläche zu
steigern, bzw. in eine bevorzugte Richtung zu Vlenken. Diese bevorzugte
Richtung ist meist nach außen in Richtung des Glaskolbens
und des evtl. vorhandenen Reflektorsystems. zu einer weiteren Entkopplung
der wichtigen Größen wirksamer Querschnitt, strahlender Oberfläche
und wirksamer Leiterlänge zu gelangen mit den Zielen
- – einer kompakteren Auslegung des
Leuchtkörpers (Erhöhung de Leuchtdichte);
- – einer Verringerung der Strahlungsschwärzung;
- – einer Erhöhung der Lebensdauer.
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Die
Lichtaustrittsfläche einer Wolfram- bzw. Metallcarbidglühwendel
kann durch Vergrößerung der strahlenden Leuchtkörperoberfläche
erhöht werden. Bei der Laserstrukturierung gelingt es analog wie
bei einer Umspinnungswendel Erfin-dungsmeldung OSRAM DExxxxx die
Leuchtdichte zu erhöhen oder dieselbe Leuchtdichte bei
geringerer Leuchtkörpertemperatur zu erreichen. Bei der
Strukturierung mittels Laser werden Strukturen auf der Leuchtkörperoberfläche
erzeugt, z. B. Schraubenlinien, siehe 1. Dadurch
kommt es zu einer Vergrößerung der strahlenden
Oberfläche wie bei der Umspinnungswendel. Das Erreichen
hoher Leuchtdichten ist insbesondere für den Gebrauch der
Lampen in Reflektoren oder optischen Projektionssystemen interessant.
Hierbei wird der abgestrahlte Lichtstrom vergrößert
(Messeinheit Lumen). Wird dabei der Leitungsquerschnitt des Leuchtdrahtes
nicht maßgeblich vergrößert oder verkleinert,
bleiben die Strom- und Widerstandskennwerte annähernd gleich.
Somit ist die Erhöhung der Leuchtkörperoberfläche
mit einer Erhöhung der Effizienz (Lichtausbeute) bei gleichbleibender
Leuchtkörpertemperatur verbunden.
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Bei
der Laserstrukturierung sind solche Strukturen zu bevorzugen, durch
die der wirksame Querschnitt längs des Leiters an jedem
Ort des Leuchtkörpers um denselben Bruchteil verändert wird.
Z. B. sollte bei einem verwendelten Leuchtdraht der wirksame Querschnitt
nach der Laserstrukturierung an jedem Ort gleich bzw. nur geringfügig
verschieden sein. Gegebenenfalls gewünschte Änderungen
sollten langsam und kontinuierlich erfolgen. Lokal begrenzte deutliche
Verringerungen des Querschnitts müssen vermieden werden.
Anderenfalls steigt die Neigung zu einer raschen Ausbildung von „Hot
Spots" an den Stellen mit lokal verringertem Querschnitt.
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Nachteilig
bei den bekannten Techniken zur Erhöhung der Filamentoberfläche
wie z. B. Umspinnungswendel, schuppiger Filamentdraht durch Reduktion
lose anhaftender Metalloxide, facettenkornstrukturierter/sägezahnstrukturierter
Draht durch Gleichstrombetrieb, mechanisch vorgeprägter
oder PVD und CVD-beschichteter Filamentdraht ist die gleichmäßige
Vergrößerung der Drahtoberfläche über
den gesamten Umfang des Drahtes. Wickelt man diese vorher präparierten
Drähte zu einer Wendel, vergrößert sich
die Leuchtkörperoberfläche auch nach innen zur
Leuchtkörperinnenseite, wo die abgestrahlte Energie relativ
wenig zur Lichterzeugung beiträgt. Hier ist eine raue,
große Oberfläche sogar nachteilig, da diese erhöhte
Strahlung lediglich zur verstärkten Wärmeentwicklung
und Überhitzung im Inneren des Filaments führt.
Zusätzlich tritt verstärkt das oben beschriebene
sogenannte Phänomen der „Strahlungsschwärzung"
auf:
Reines Wolfram, welches als Leuchtkörpermaterial bevorzugt
zur Anwendung kommt, besitzt aufgrund der Temperaturabhängigkeit
seines spektralen Emissionskoeffizienten bei gleicher Temperatur
eine um 40% höhere Lichtausbeute als der schwarze Strahler.
Dieser Selektivitätsgewinn geht beim Wendeln des Drahtes
durch die Ausbildung einer Art „Hohlkörpers" teilweise
verloren.
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Im
Extremfall wird aufgrund der großen Oberfläche
mehr Wärmeenergie abgestrahlt, als eine glatte Oberfläche
abstrahlen wurde. Die Effizienz der Lampe nimmt dadurch ab, da von
Außen mehr Energie zugeführt werden muß um
die gleiche Lichtleistung zu erzeugen. Ein Großteil der
Energie wird auf der Innenseite des Filaments oder zwischen den
einzelnen Windungen emittiert und aufgrund dieser Mehrfachreflexionen
wirkt die Wendel eher als schwarzer Strahler und der Selektivitätsgewinn
der Lichtemission von Wolfram geht somit verloren.
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Bei
der Laserstrukturierung kann der abgespulte Glühdraht kurz
vor dem Wickeln oder nach dem Wendelwickeln berührungslos
so bearbeitet werden, dass die Oberflächenvergrößerung
des Filaments gezielt auf der Außenseite eingebracht wird. Dadurch
ist es möglich die Emission gezielt von der Lampenachse
weg hin zum Kolben und ggf. zum Reflektorsystem zu leiten. Es wird
somit ein größerer Bruchteil der Strahlung von
der Lampenachse weg nach „außen" emittiert; die
Strahlungsschwärzung lässt sich zwar nicht abschalten,
spielt aber eine geringere Rolle. Die Laserstrukturierung bietet
also eine viel größere Flexibilität als
die oben beschriebenen etablierten Verfahren.
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Möglich
ist aber auch, dass die fertig gewickelte Wendel während
sich diese anschließend um die Längsachse gedreht
wird, mittels Laser (kurze Pulse, hohe Pulsfrequenz) an der Außenseite
mit Linien, Punkten, etc... strukturiert wird.
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Der
Vorteil einer nach dem Wickeln lLaserstrukturierten Wendel ist die
Möglichkeit, dass man nur die mittleren heißen
Windungen mittels Laser strukturiert und diese durch die vergrößerte
Oberfläche und damit auch erhöhte Emission stärker
gekühlt werden. Dies trägt kann zur Glättung
des Inhomogenen Temperaturprofils längs der Wendel bei
und damit auch zur Lebensdauerverlängerung. Die Ausbildung
von Hot-Spots wird damit analog den Erfindungsmeldungen „modulierte
Steigung" und „modulierte Drahtdicke" verzögert,
was einer Lebensdauererhöhung gleichkommt.
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Ein
weiterer Vorteil von eingebrachten regelmäßigen
Störungen im Filament-materials ist, dass zufällige
aus der Fertigung herrührende Störungen „überdeckt"
werden.
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Im
Laufe der Brennzeit kommt es durch zum Teil über die Gasphase
ablaufende Umlagerungsvorgänge zu einer Nivellierung der
auf der Oberfläche angebrachten Strukturen, d. h. die Strukturen
auf der Oberfläche „schmelzen" allmählich
zusammen. Daher wird die Laserstrukturierung – wie auch
die Technik der Umspinnungswendel – bevorzugt bei Lampen mit
einer relativ hohen Leuchtdichte und relativ kurzer Lebensdauer
eingesetzt.
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Im
Gegensatz zu
US 5 152 870 ,
bei der Mikrostrukturen mittels Masekntechnik erzeugt werden und
nur der abgeschiedene Maskenfilm mittels Laser bearbeitet wird,
wird erfindungsgemäß das hochschmelzende Filamentmaterial
im Makrobereich, also typisch in Größenordnungen
von mehr als 1 μm, ohne Mastkentechnik direkt mit dem Laser
abgetragen. In speziellen Ausführungsformen kann eine zusätzliche
hochschmelzene Schicht aufgetragen auf das Filamentmaterial aufgetragen
werden und dann noch per Laser eingebrannt werden, ohne dass dafür die
umständliche Masekntechik benutzt werden müsste.
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Zusammengefasst
sind folgende Vorteile der Laserstrukturierten Oberfläche
zu nennen:
- a) Vergrößerte
Filamentoberfläche, damit eine Vergrößerung
der Leuchtdichte höhere Emission bei gleicher Leitungslänge
= höhere Leuchtdichte
- b) Gezielte Vergrößerung der Emission nach
Außen vom Filament weg,
Erhöhung der Selektivität
der spektralen Emission im Vergleich zur reinen
Wendel durch
relativ weniger Reflexionen innerhalb des Leuchtkörpers.
weil
die in das innere emittierte Strahlung eine geringere Rolle spielt.
Abschwächung der Strahlungsschwärzung des Effekts „schwarzer
Strahler" bei der Wendelgeometrie Verwendung von gewendelten Leuchtkörpern. - c) Glättung von zufällig
vorhandenen Drahtstörungen durch Überdeckung mit
nachträglich eingebrachten regelmäßigen
Laserstrukturen
- d) Glättung des Temperaturprofils längs der
Wendel durch Erhöhung der Emission in der Mitte der Wendel
an der heißesten Stelle
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben:
Technisch
kann ein Nd-YAG oder CO2-Laser mit extrem kleinen Fokusdurchmesser
(< 100 μm)
und hoher Laserleistung im Fokus verwendet werden. Meist wird der
Laser im Pulsbetrieb bei Frequenzen von > 10 kHz und Leistungsbereich im Bereich
10–1050 Watt betrieben. Die Erzeugung der Oberflächenstruktur
geschieht über die Sublimation des eErhitzen Filamentmaterials
(z. B. bei Wolfram über Wolframoxid, bei Tantal- oder Tantalkarbid über
Tantaloxid und CO2) in Luftatmosphäre. Die Tiefe des Abtrags
bewegt sich bevorzugt im Bereich zwischen einem 1/500 und 1/5 des
Draht-durchmessers bis zu einem totalem „Durchschuss" des
gesamten Querschnitts, besonders bevorzugt jedoch im Bereich zwischen 1/10
und bei einem 1/10050 des Drahtdurchmessers. Typischerweise wird
bei einer 12 V 50 W Wendel mit einem Drahtdurchmesser von ca. 150 μm
eine Tiefe der Lasersublimation von 1–150 μm bewegen.
Geringere Tiefen sind aufrgrund der kurzen Prozesszeit vorteilhaft.
Die zeitlich verlängerte Wirkung der Oberflächenstrukturierung
Verbesserung der Emission ist bei tieferen Abträgen zu
finden.
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Neben
der Sublimation – verbunden mit einer Negativform im Material – kann
der Laser ähnlich dem Lasersintern auch dazu benützt
werden Material aufzutragen.
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Hierzu
mussß das dem Filamentmaterial verwandte aufzutragende
Material in Pulver-, Pasten- oder Gasförmigen Zustand auf
den Draht oder das Filament aufgebracht werden und dann mittels
Laser gezielt an die jeweiligen Stellen eingebrannt bzw. aus dem
gasförmigen Zustand abgeschieden werden.
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Die
bisher beschriebenen Laserstrukturierungsarten beziehen sich im
wesentlichen lediglich auf die Oberfläche des Filamentmaterials.
Daneben bietet sich jedoch noch die Möglichkeit, als weitere wesentlich
die elektrischen Kenndaten des Leuchtkörpers bestimmende
Kenngröße den den wirksamen Querschnitt zu beeinflussen.
Dazu werden z. B. mittels Laser Manipulationen durchgeführt,
die einen Großteil des Querschnitts des Glühkörpers
erfassen.
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Oberflächenstrukturierung
und Modifikation des Querschnitts gehen zum Teil ineinander über. Bringt
man z. B. eine Schraubenlinie mit einer Tiefe > d/10 auf der Oberfläche des
Leuchtkörpers an, so kommt es bereits schon zu einer beträchtlichen
Beeinflussung des wirksamen Querschnitts. Interessant dabei ist,
dass die zwischen zwei z. B. mittels Laser erzeugten Vertiefungen
liegenden Segmente weniger zum wirksamen Querschnitt beitragen als
der innere nicht unterbrochene Teil des Querschnitts, vgl. 5. 5 zeigt
einen Schnitt durch einen Leuchtdraht. Die Einschnitte können
entweder schraubenförmig um den Draht herum vorgenommen
werden, was den Vorteil hat, dass sich keine zur „Hot-Spot-Bildung"
Anlass gebende dünnere und damit heißere Stellen
bilden. Auch die Verwendung von mehreren separierten ringförmigen
Vertiefungen ist zumindest bei dickeren Drähten möglich,
wenn die geringfügige lokale Erhitzung an der Stelle dieser ringförmigen
Einschnitte akzeptiert werden kann. Der Vorteil bei Verwendung ringförmiger
Einschnitte ist, dass die an der Drahtoberfläche liegenden
Bereiche noch weniger vom Strom durchflossen werden als diejenigen
bei Verwendung von schraubenförmigen Vertiefungen. Die
schraffierten Bereiche tragen kaum zum Stromtransport bei; andererseits
erfolgt die Abdampfung von Material bevorzugt von der Oberfläche dieser
schraffierten Bereiche. Dies ist insbesondere bei der Anwendung
für Metallcarbidwendeln inte ressant, wo dadurch eine gewisse
Separierung zwischen der Oberfläche, von der die Abdampfung
erfolgt, und dem für die Leistungsaufnahme wirksamen Querschnitt
erfolgt. Hintergrund ist die destruktive Rückkopplung bei
der Entstehung von „Hot-Spots", welcher im Folgenden kurz
beschrieben wird. Bedingt durch eine kleine „Störung"
entlang des Leuchtkörperdrahtes, z. B. durch einen erhöhten
Leistungseintrag an einer Korngrenze, einer geringen lokalen Änderung
der Materialdaten, einer lokal begrenzten Verringerung des Drahtdurchmessers,
einer lokalen Verunreinigung im Leuchtdraht, einem zu geringen Abstand
zweier Windungen bei Gebrauch von Wendeln usw. kommt es zu einer
geringfügigen lokal begrenzten Erhitzung einer Stelle gegenüber
der Umgebung (lokale Begrenzung auf max. 2 Windungen). Die lokale
Erhöhung der Temperatur bewirkt, dass von dieser Stelle
verstärkt Material abdampft und diese Stelle somit bevorzugt
gegenüber der Umgebung verjüngt wird, wodurch
der Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Da die Erhöhung
des Widerstands auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, ändert
sich dadurch der Gesamtwiderstand des Leuchtkörpers praktisch
nicht oder wird lediglich um einen erheblich geringeren Bruchteil
erhöht als der Widerstand an der betrachteten Stelle. An
der eng begrenzten Stelle mit leicht erhöhtem Widerstand
erfolgt ein erhöhter Leistungseintrag, weil derselbe bzw.
nur vergleichsweise geringfügig erniedrigte Strom durch
diese jetzt einen erhöhten Widerstand aufweisende Stelle
fließt. Dadurch wird die Temperatur weiter erhöht,
was wiederum die Verjüngung dieser Stelle gegenüber
der Umgebung beschleunigt usw.. Auf die beschriebene Weise beschleunigt
sich die Ausbildung einer dünnen Stelle von selbst und
führt schließlich zum Durchbrennen des Leucht drahtes
an dieser Stelle. Bei Lampen aus Metallcarbiden wie Tantalcarbid
kommt als weiterer Effekt gegenüber Glühkörpern
aus Wolfram hinzu, dass das bei der Kohlenstoff-Verdampfung entstehende
Subcarbid Ta2C einen um einen Faktor von
mehr als 3 höheren spezifischen elektrischen Widerstand
aufweist als TaC. Dieser Einfluss führt dazu, dass sich
der destruktive Mechanismus bei Leuchtkörpern aus Tantalcarbid
noch schneller aufschaukelt als bei solchen aus Wolfram. Bei einer zumindest
partiellen Separation zwischen der Oberfläche, von der
die Verdampfung erfolgt, und dem für den Leistungseintrag
relevanten Querschnitt wirkt sich der Materialverlust an der Oberfläche
bzw. die Bildung des Subcarbids mit erhöhtem Widerstand
an der Oberfläche weitaus weniger destruktiv aus als bei einem
herkömmlichen Draht, weil zumindest in der Anfangsphase
der „Hot-Spot"-Bildung der Anstieg des Leistungseintrags
langsamer erfolgt.
-
Wie
oben beschrieben lässt sich durch die Verwendung von planaren
Leuchtkörpern
die Flexibilität hinsichtlich
der Entkopplung von wirksamen Querschnitt und strahlender Oberfläche
deutlich erhöhen, wobei die Strahlungsschwärzung
minimiert wird, was allerdings mit einer drastischen Steigerung
von Stoff- und Wärmetransport erkauft werden muss. Daher
ist – außer für Sonderanwendungen – wie
oben erwähnt die Verwendung planarer Leuchtkörper
meist nur in Verbindung mit der IRC Technologie sinnvoll. Für
den in
US 6259193 sowie
in der darin zitierten Literatur beschriebenen Stand der Technik
ist charakteristisch, dass
- (a) nahezu der gesamte
Bereich des Leuchtbandes vom Strom durchflossen wird (in US 6259193 werden lediglich
einzelne Bereiche nahe der „Slots" zur Erhöhung
der Stromdichte am Leuchtkörperrand weniger vom Strom durchflossen);
und
dass
- (b) sich eine Oberfläche eines solchen Leuchtbandes
als im mathematischen Sinne einfach zusammenhängendes Gebiet
auffassen lässt.
-
Gegenstand
des dargelegten Standes der Technik ist im Wesentlichen, einen aus
einem rechteckigen Band – ggf. mit leicht gekrümmten
Längsseiten – bestehenden Leuchtkörper
in definierter Geometrie (Mäander, zusammengesetzte Mäander,
Spiralen, etc.) herzustellen. Die hier beschriebenen darüber
hinausgehenden Konzepte schlagen weitere Modifikationen vor, die
zu einer Abänderung der Rechteck-Geometrie führen.
Sie sind nicht nur für gemäß den beschriebenen
Publikationen hergestellten planaren Leuchtkörpern, sondern
allgemein anwendbar.
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Vorteilhaft
ist jedoch auch wenn z. B. sich bevorzugt bei planaren, flächigen
Leuchtkörpern (siehe Patent
DE 198 43 853 A1 , Anmeldetag 24.9.1998) die
Laserstrukturierung sich nicht nur auf die Oberfläche beschränkt,
sondern die Linien, Löcher durch die gesamte Dicke des
Materials abtragen um somit denn Leitungsquerschnitt des planaren
Filaments (Wolframband oder Wolframfolie, Tantal- oder Tantalkarbidband
oder -folie, etc..) zu verkleinernn und die Leitungslänge
zu zu vergrößernn. Werden z. B. in ein gestreckte
Filamentband analog (Patent
DE 198 43 853 A1 , Anmeldetag 24.9.1998, Dr.
Noll) seitlich, abwechseln oben und unten eingebrachte Schlitze
eingeschnitten wird der Leitungsquerschnitt verkleinert und die
Leitungslänge durch den bevorzugt meanderförmigen,
aber auch spiralförmigen oder wellelinienförmigen,
etc.. Stromverlauf verlängert. Dadurch können
stabilere dickere Filamentbänder und -folien verwendet
werden und der jeweilige Kaltwiderstand und die lichtelektrischen
Daten des Filaments genauer eingestellt werden.
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Im
GE-Patent
US 6 259
193 B1 werden bereits serpentinenförmige Filamente
beschrieben, die hauptsächlich als Elektronenemitter für
Röntgenröhren aber auch für lichttechnische
Zwecke in Projektionslampen eingesetzt werden. Ziel des GE-Patents bei
der Lichttechnik ist die gleichmäßige Temperaturverteilung über
das Filament (+–25 K).
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Im
Gegensatz dazu ist das hier beschriebene Verfahren zur Fein- und
Groblaserstrukturierung von Filamenten die Erhöhung der
strahlenden Oberfläche und die gezielte Beeinflussung von
Leitungsquerschnitt und Leitungslänge bei Planarlampen
mit IRC-Beschichtung um die Lichtausbeute und die Effizienz zu erhöhen.
Prinzipiell ist bei planaren Filamenten das Problem der Strahlungsschwärzung
nicht vorhanden und die spektrale Emission ist beim Wolfram bei
gleicher Temperatur höher als beim schwarzen Strahler.
Zusammen mit dem bereits erwähnten IRC-Effekt und aufgrund
der größeren Filamentfläche mit größerem
Einfangquerschnitt für reflektierte IR-Starhlung können,
was eine um ca. 640% höhere Lichtausbeuten erzielt werden
bedeutet.
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Die
Verfahren zum Materialabtrag lassen sich mit Vorteil zur Herstellung
von auch im dreidimensionalen Raum optimierten Leuchtkörpern
benutzen. Z. B. kann man aus einem Leuchtkörpermaterial
bestehenden zu einem Mantel eines Kegelstumpfs geformten Metallkörper
mittels Laser so bearbeiten, dass wieder bandförmige Strompfade
entstehen. Den entstehenden Leuchtkörper kann man auffassen
als einen aus einem Metallband bestehende Glühwendel mit
variablem Kerndurchmesser. Analog sind so Glühwendeln aus
Metallbändern (bzw. allg. aus Bändern aus beliebigem
Leuchtkörpermaterial) denkbar, die einen vom Wendelende
zur Wendelmitte zunehmenden Kerndurchmesser aufweisen. Solche Geometrien
sind mit Vorteil bei IRC-Lampen einsetzbar, wo sich dadurch die
Effizienz weiter steigern lässt.
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Für
die beschriebenen Manipulationen wird bevorzugt ein Laser eingesetzt.
Doch auch der Einsatz weiterer verfahren, z. B. nasschemisches Ätzen oder
ein Abtrag durch Sputtern, oder mechanisches Heraustrennen (z. B.
Stanzen) ist möglich.
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Folgende
Anwendungen sind zwar nicht Ziel der Aufgabenstellung, können
aber allgemein in Zusammenhang mit Laserstrukturierungsmethoden
in der Lampentechnik angewendet werden: Die hier beschriebenen Laserstrukturierungstechniken
der Oberfläche und des wirksamen Querschnitts bei hochschmelzenden
Metallen können auch bei den Elektroden der Entladungslampen
angewendet werden, um Emission und Stromdichte zu beeinflussen. Daneben
bietet sich noch die Möglichkeit, die Molybdän-Einschmelzfolie
bei Quarz glaslampen (Dicke 15–35 μm, Breite 1,2
bis 6,0 mm) mittels Laserstrukturierung so zu beeinflussen, dass
eine verbesserte Anglasung mit dem Quarzglas erreicht werden kann (Erhöhung
der Oberfläche, Erhöhung der Quarzglasverbindungsfläche
bei herausgetrennten Bereichen in der Molybdän-Folie, Veränderungen
der Glas-Metall-Spannungen).
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
-
1 eine
Glühlampe;
-
2 bis 11 verschiedene
Strukturen für einen verbesserten Leuchtkörper.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
-
1 zeigt
eine Glühlampe 1 mit einem Kolben 2 aus
Quarzglas und einem darin angeordneten Leuchtkörper 3,
der mittels zweiter Stromzuführungen 4 im Kolben
gehaltert ist. Die Stromzuführungen 4 führen
zu Folien 5 in einer Quetschung 6. An den Folien
sitzen Zuleitungen 7, die nach außen ragen. Der
Leuchtkörper ist typisch axial oder querliegend angeordnet.
Der Leuchtkörper ist strukturiert (nicht dargestellt).
-
Bei
der Strukturierung mittels Laser werden Strukturen auf der Leuchtkörperoberfläche
erzeugt, z. B. in Gestalt einer oder mehreren Schraubenlinien 10 entlang
des Drahtes 9 des Leuchtkörpers, siehe 2.
Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der strahlenden
Oberfläche ähnlich wie bei einer Umspinnungswendel.
Das führt zum Erreichen einer hohen Leuchtdichte, wie sie
insbesondere für den Gebrauch der Lampen in Reflektoren
oder optischen Projektionssystemen interessant ist.
-
3 zeigt
einen Längsschnitt durch einen gewendelten Leuchtkörper 9,
bei welchem sich Längsrillen 11 auf der nach „außen",
also von der Wendelachse weg gerichteten Seite des Glühdrahts befinden.
In bezug auf die Wendelachse liegen die Rillen in einem Bereich
der äußeren Hälfte des drahtes.
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Im
eEinfachsten Fall werden bei einem Draht 9 auf einer Seite
mittels Laser Längsrillen, Schräg- oder Querrillen,
Punkte, Zick-Zack oder Schlangenlinien etc. angebracht. – im
Extremfall durchgehende Schlitze und Löcher – eingebracht.
Die Strukturen sollen nach Möglichkeit so ausgelegt sein,
dass die „Seitenwände" nicht unbedingt senkrecht
zur Drahtachse stehen, sondern beispielsweise Kanäle 12 mit
Seitenwänden, die eher schräg geneigt sind (4).
Dadurch erfolgt die Emission der Strahlung bevorzugt nach „außen"
von der Drahtachse weg.
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Je
größer der Öffnungswinkel, desto effektiver
ist die Abstrahlung, siehe die V-förmige Kerbe 13 gemäß 5.
So lässt sich die Entstehung der Strahlungsschwärzung
in den Strukturen selbst minimieren. Bei dem unmittelbar folgenden
Wickelvorgang wird der Wickelsinn so gewählt, dass die
lLaserstrukturierte Oberfläche überwiegend bis
ausschließlich an der Außenseite des Glühfilaments 9 liegt.
-
Interessant
dabei ist, dass die zwischen zwei z. B. mittels Laser erzeugten
Vertiefungen liegenden Segmente we niger zum wirksamen Querschnitt
beitragen als der innere nicht unterbrochene Teil des Querschnitts.
Die Einschnitte, Rillen oder Vertiefungen können entweder
schraubenförmig um den Draht herum vorgenommen werden (siehe 2), was
den Vorteil hat, dass sich keine zur „Hot-Spot-Bildung"
Anlass gebende dünnere und damit heißere Stellen
bilden. Aber auch die Verwendung von mehreren separierten ringförmigen
Vertiefungen 15 ist zumindest bei dickeren Drähten
möglich, wenn die geringfügige lokale Erhitzung
an der Stelle dieser ringförmigen Einschnitte toleriert
werden kann. 6 zeigt einen Längsschnitt
durch einen Leuchtdraht 9 mit derartigen Einschnitten 5.
Der Vorteil bei Verwendung ringförmiger Einschnitte ist, dass
nahe der Drahtoberfläche liegenden Bereiche, die etwa der
Tiefe der Einschnitte entsprechen, im Betrieb kaum vom Strom durchflossen
werden. Ringförmige Einschnitte sind in dieser Hinsicht
effektiver als schraubenförmige Vertiefungen. In 6 schraffierte
Bereiche tragen dementsprechend kaum zum Stromtransport bei. Andererseits
erfolgt die Abdampfung von Material bevorzugt von der Oberfläche
dieser schraffierten Bereiche.
-
Die
Beeinflussung des Querschnitts kann auch mit dem Ziel vorgenommen
werden, das Verhältnis aus wirksamen Querschnitt und strahlender Oberfläche
zu verändern; und nicht bevorzugt wie oben die äußeren
Bereiche vom Stromtransport abzukoppeln. Dazu können z.
B. tiefe Schlitze in den Draht eingearbeitet werden, was den wirksamen Querschnitt
stärker verkleinert als die strahlende Oberfläche.
Ein Extrembeispiel zur Verdeutlichung zeigt 7, bei dem
ein Schlitz 16 eine Tiefe von etwa dem halben Durchmesser
des Drahtes 9 erreicht. Ein derartig ausgestatteter Leuchtkörper
kann dann sehr kompakt ausgelegt werden. Der offene Teil des Schlitzes
sollte bevorzugt auf der Innenseite der Wendel angeordnet sein.
Bei dickeren Drähten können auch ganze Bereiche
des Drahtes so abgetragen werden, dass zum einen der wirksame Querschnitt verringert
wird, und zum anderen die auf der „Außenseite"
des Leuchtkörpers liegende strahlende Fläche vergrößert
und nach Möglichkeit die der Wendelinnenseite zugewandte
Fläche verringert wird. Ein Extrembeispiel zeigt 8.
Der Schnitt durch einen hier aus einem gewendelten Draht 9 bestehenden Leuchtkörper
zeigt, dass die dem Wendelinneren zugewandte Fläche minimiert
wurde. Sie bildet nahezu eine ebene Fläche 17.
Dagegen wird die dem Wendeläußeren zugewandte
Fläche durch Rillen 18 vergrößert,
wobei der Querschnitt gegenüber dem vollen Runddraht deutlich
verringert ist.
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Bei
relativ dicken Drähten kann man auch kleine Löcher
im Draht anbringen, die sich bevorzugt senkrecht zur Drahtoberfläche
in Richtung des Radius in das Drahtinnere erstrecken und die fast
die Tiefe des Durchmessers erreichen.
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Darüber
hinaus lässt sich die strahlende Oberfläche und
der wirksame Querschnitt des Leuchtkörperdrahtes weiter
entkoppeln, indem längs des ganzen Leuchtkörpers,
und nicht nur nahe der Enden wie in
US
6259193 beschrieben, größere nicht vom
Strom durchflossene Bereiche in regelmäßiger Struktur
ausgeformt werden, die durch Wärmeleitung aufgeheizt werden
und deren Oberfläche Strahlung emittiert.
-
In 9 wird
schematisch ein solches Beispiel gezeigt eines bandförmigen
Leuchtkörpers 20. Die schraffierten Bereiche werden
nicht bzw. nur wenig vom Strom durchflossen. Bevorzugt werden die Abmessungen
a, b deutlich kleiner als d gewählt, bevorzugt kleiner
als 20%, besonders bevorzugt kleiner als 10% von d, um keine zu
großen Temperaturunterschiede zu erzeugen bzw. um den Stromfluss
durch diese „Strahlungssegel" zu minimieren. Die Aussparungen
c werden relativ klein gewählt, bevorzugt höchstens
30% von b, und vorteilhaft versetzt zueinander auf den beiden Seiten
des Bandes verteilt, um die Ausbildung von „engsten" Stellen
mit erhöhter Temperatur zu minimieren. Dadurch gelingt
es, die strahlende Oberfläche bei nahezu konstantem elektrischen
wirksamen Querschnitt zu variieren. Eine Optimierung hinsichtlich
der Minimierung von Temperaturdifferenzen erfolgt am besten zunächst
theoretisch mittels numerischer Simulation und dann erst durch Musterlampenbau.
-
Außerdem
wird über den Stand der Technik hinausgehend vorgeschlagen,
den Leuchtkörper so zu strukturieren, dass seine Oberfläche
im mathematischen Sinne als mehrfach zusammenhängendes Gebiet
betrachtet werden kann. Dazu werden aus dem Leuchtkörper
Prismen bzw. Zylinder herausgeschnitten, so dass das Leuchtband
in der Aufsicht von herausgeschnittenen Kreisen, Rechtecken, usw. durchsetzt
ist. Damit werden sowohl die strahlende Oberfläche als
auch der wirksame Querschnitt des Leuchtbands verringern. Der wirksame
Querschnitt wird dabei in jedem Fall stärker verringert
als die strahlende Oberfläche. Will man die Lichtausbeute beibehalten,
so kann im Gegenzug somit entweder eine geringere Bandlänge
und/oder eine größere Banddicke gewählt
werden – beides vorteilhafte Maßnahmen, durch
die zum einen der Leuchtkörper kompakter ausgelegt werden
kann, und zum anderen ein leichteres Handling aufgrund der größeren
Banddicke möglich wird. Die Anbringung dieser Strukturen sollte
möglichst so erfolgen, dass die Ausbildung von heißesten
Stellen vermieden wird, d. h. der wirksame Querschnitt sollte an
allen Stellen möglichst gleich groß sein. Werden
z. B. „Löcher" 25 in das Band 24 geschnitten,
so sollte die Dichte dieser möglichst großen Anzahl
an Löchern möglichst über die Fläche des
Bandes 24 konstant sein, siehe hierzu 10. Jedoch
sollte beachtet werden, dass eine höhere Dichte an Löchern
nahe den Enden des Leuchtkörpers zur Nivellierung des Temperaturprofils
dienen kann.
-
11 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei der Rechtecke 30 aus
dem Band 24 herausgeschnitten sind. Die Rechtecke sind
in einem gewissen abstand hintereinander aufgreiht. Alle Rechtecke können
hier dieselbe Geometrie haben. bevorzugt haben sie dieselbe Breite.
Die Wirkung dieser Rechtecke ist, dass die dieser Breite entsprechenden
Flächen 35 (punktiert dargestellt) in ihrem Querschnitt praktisch
kaum zum Stromtransport beitragen. Andererseits sind die punktierten
Flächen trotzdem noch als abstrahlende Flächen
aktiv. Dies verdeutlicht obige Aussage, dass der wirksame Querschnitt
stärker abnimmt als die strahlende Oberfläche,
wenn einzelne Bereiche aus dem Leuchtband herausgeschnitten werden.
Durch Anpassungen der Abmessungen a und b der Rechtecke lassen sich
abstrahlende Oberfläche und wirksamer Querschnitt zumindest
in Grenzen nahezu unabhängig voneinander einstellen. Vergrößerung
von a reduziert die Größe der abstrahlenden O berfläche,
ohne den wirksamen Querschnitt zu beeinflussen. Vergrößerung
von b unter der Nebenbedingung a·b = konstant verringert
den wirksamen Querschnitt ohne die abstrahlende Fläche
zu verändern. Bei einer solchen Bearbeitung des Bandes
sollte darauf geachtet werden, dass die durch die Struktur bedingten
Temperaturdifferenzen nicht zu groß werden. Daher ist es
zweckmäßig, zunächst eine theoretische
Abschätzung z. B. mittels FEM oder verwandter Methoden
vorzunehmen.
-
Das
Verfahren der Strukturierung mittels Laser kann nicht nicht nur
für Leuchtkörper angewendet werden, sondern auch
für Folien. Typish handelt es sich um Einschmelzfolien
wie an sich bekannt. Jedoch kann zur besseren Haftung am umgebenden Glas
die Oberfläche der Folie mittels eines Lasers strukturiert
werden, so daß sie ähnlich wie sandgestrahlt ist.
derartige Folien lassen sich nicht nur für Glühlampen,
sondern auch für Entladungslampen anwenden. Damit wird
eine verbesserte Anglasung mit dem Quarzglas erzielt und eine Spannungsänderung
in der Dichtfläche hervorgerufen. Durch diese Spannungsänderung
in der Glas-Metall-Verbindung können sich Glassprünge,
verursacht durch die Reaktion des Molybdäns mit Sauerstoff
oder den Füllgasbestandteilen, nicht so schnell ausbreiten
und damit letztlich zur Undichtigkeit der Lampe (Glühlampe als
auch Entladungslampe) führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19843853
A [0007]
- - US 3237284 A [0013]
- - US 6259193 [0018, 0044, 0044, 0063]
- - DE 19843853 [0018]
- - US 5152870 [0021, 0037]
- - DE 19843853 A1 [0046, 0046]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - M. Tuma, K.
King, L. Kim, R. Hansler, E. Jones, T. George, „MEMS Incandescent
Light Source", Proceedings of SPIE Vol. 4134 (2000) [0018]