DE102007015243A1 - Glühlampe mit strukturiertem Leuchtkörper - Google Patents

Glühlampe mit strukturiertem Leuchtkörper Download PDF

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Matthias Dr. Damm
Georg Rosenbauer
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    • H01K1/02Incandescent bodies
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    • HELECTRICITY
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    • H01KELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K3/00Apparatus or processes adapted to the manufacture, installing, removal, or maintenance of incandescent lamps or parts thereof
    • H01K3/02Manufacture of incandescent bodies

Abstract

Eine Glühlampe zeichnet sich durch einen strukturierten Leuchtkörper aus, wobei die Querschnittsfläche so verändert ist, dass die Emissivität erhöht ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • Die Lebensdauer von Lampen, bei welchen die Lichterzeugung auf dem Prinzip der Glühemission beruht, wird meist durch die Verdampfung bzw. Zersetzung des Leuchtkörpermaterials bestimmt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Lichtemission wird über den temperaturabhängigen spektralen Emisionsgrad und die Oberflächenbeschaffenheit des Drahtes sowie Wendelgeometrie bestimmt.
  • 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.
  • 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.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Glühlampe bereitzustellen mit verbesserter Emissivität des Leuchtkörpers.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, dafür geeignete Verfahren anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 15 bzw. 17.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein weiterer Vorteil von eingebrachten regelmäßigen Störungen im Filament-materials ist, dass zufällige aus der Fertigung herrührende Störungen „überdeckt" werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • Neben der Sublimation – verbunden mit einer Negativform im Material – kann der Laser ähnlich dem Lasersintern auch dazu benützt werden Material aufzutragen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (17)

  1. Glühlampe mit einem Kolben aus durchsichtigem oder durchscheinenden Material, in dem ein Leuchtkörper und ggf. eine Füllung enthalten ist, wobei der Leuchtkörper ein Draht aus wärmebeständigem Material mit gegebener Querschnittsfläche ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht über seine wirksame Länge, entlang der eine thermische Strahlungsemission stattfindet, makroskopische Strukturen aufweist, die seine Strahlungseffizienz verändern, wobei diese Strukturen lokal oder regional die Querschnittsfläche des Drahtes verändern.
  2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Leuchtkörpers ausgewählt ist aus der Gruppe Wolfram, Molybdän, Tantal, Osmium, Rhenium, Niob, Tantalcarbid, Zirkonkarbid, Hafniumkarbid, bzw. weitere Metalle, Metallkarbide, Metallnitride, Metallboride oder deren Legierungen aus einem inerten Metall oder aus einer inerten Verbindung.
  3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper ein Draht ist, der einfach, zweifach oder dreifach gewendelt ist.
  4. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einer IRC reflektierenden Schicht versehen ist und dass das Filament und die Kolbengeometrie ein optisches System bilden, in dem möglichst viel Wärmestrahlung auf die Wendel zurückreflektiert wird.
  5. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht gleichmäßig längsentlang der s Drahtachsees und/oder um den Drahtumfang herum strukturiert ist, insbesondere die Struktur als Linien, Schlitze, Punkte, Löcher, Kurven ausgeführt ist.
  6. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht gleichmäßig längs entlang der s Drahtachse, esaber höchstens einhalbseitig bezogen auf den Drahtumfang herum, mittels Vertiefungen strukturiert ist, wobei insbesondere die Struktur Linien, Punkte, Kurven, Löcher, oder Schlitze aufweist, wobei dDiese halbeinseitige Strukturierung soll nach dem Wickeln bevorzugt an der Außenseite des Wendelkörpers zu liegen kommt, so dass die in den Außenraum der Wendel emittierende Fläche vergrößert wird.
  7. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fertig gewickelte Wendel gleichmäßig entlang der einzelnen Windungen des Leuchtkörpers, aber höchstens halbeinseitig bezogen auf den Drahtumfang bevorzugt, d. h. an der Außenseite des Leuchtkörpers strukturiert ist, wobei die Struktur bevorzugt aus Linien, Punkte, Kurven, Löcher, Schlitzen besteht, so dass die in den Außenraum der Wendel emittierende Fläche vergrößert wird.
  8. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kolbens aus Quarzglas oder Hartglas oder Vycor oder Keramik besteht.
  9. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fertig gewickelte Wendel nur an den mittle ren Windungen stark und an den am Wendelende liegenden Windungen schwach strukturiert ist, wobei die Strukturierung höchtens und halbeinseitig bezogen auf den Drahtumfang so angebracht ist, dass sie, d. h. an der die emittierende Fläche an der Außenseite des Leuchtkörpers vergrößert, während die in das Innere des Leuchtkörpers emittierende Fläche nicht oder nur schwach vergrößert ist, wobei insbesondere die Struktur aus mittels Laser strukturiert ist (Linien, Punkte, Kurven, Löcher, Schlitzen gebildet ist.
  10. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lokal oder regional über eine gewisse Länge des Leuchtkörperdrahtes die Querschnittsfläche des Drahtes auf höchstens 30% der ursprünglichen Fläche reduziert ist, so dass, bevorzugt in regelmäßiger Struktur, an der Peripherie längs des gesamten Leuchtkörpers kaum vom Strom durchflossene Gebiete entstehen, die jedoch als strahlende Oberflächen fungieren.
  11. Glühlampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht einen Querschnitt in Gestalt einer langgestreckten Ellipse hat, mit kleiner Halbachse mindestens dreimal so klein wie die große Halbachse, oder die Gestalt eines Bandes hat, wobei lokal die gesamte Dicke des Materials abgetragen ist, so dass an der Peripherie längs des gesamten Leuchtkörpers nicht vom Strom durchflossene Gebiete entstehen, die alleine als strahlende Oberflächen fungieren.
  12. Glühlampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass regelmäßige Strukturen aus dem Draht herausgeschnitten sind, insbesondere einzelne recheckige, runde, oder ähnlich geformte Bereiche aus dem rechteckigen Band herausgeschnitten werden, so dass die Oberfläche des Leuchtkörpers in der Aufsicht im mathematischen Sinne ein mehrfach zusammenhängendes Gebiet darstellt.
  13. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag lediglich die äußeren Teile des Drahtquerschnitts nahe der Drahtoberfläche erfasst, wobei durch die Einbringung der regelmäßigen Strukturen der Stromfluss an der Außenseite des Leuchtkörpers so unterbrochen wird, so dass der Querschnitt an der Oberfläche des Leuchtkörpers nur noch wenig zur Stromleitung beiträgt.
  14. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlende Oberfläche an der dem Wendelaußenraum zugewandten Seite größer ist als an der dem Wendelinnenraum zugewandten Seite.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers für eine Glühlampe, wobei der Leuchtkörper aus einem Draht mit gegebener Querschnittsfläche besteht, der aus hochschmelzendem Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass als die Fläche veränderndes Verfahren ein Material abtragendes Verfahren mittels Laser eingesetzt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht zu einer Ellipse als Querschnitt oder zu einem Band geformt ist, wobei durch die Laserbearbeitung aus der zunächst vollständig mit Material ausgefüllten Oberfläche des Drahtes Material so entfernt wird, dass definierte Strompfade entstehen.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers für eine Glühlampe, wobei der Leuchtkörper aus einem Draht mit gegebener Querschnittsfläche besteht, der aus hochschmelzendem Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass als die Fläche veränderndes Verfahren ein Material auftragendes Verfahren verwendet wird, wobei entweder eine Laserstrukturierung durch Materialauftrag erfolgt, indem ein das Drahtmaterial enthaltendes Pulver oder Paste auf den Draht oder die Wendel aufgetragen und dann mittels Laser eingebrannt wird und anschließend ein etwaiger Rest des Pulvers oder der Paste abgewaschen wird oder indem eine lokale oder regionale Erhitzung des Drahtes erfolgt und anschließend ein Abscheiden eines Materials, das ein das Drahtmaterial enthaltendes Pulver oder Paste ist, aus der Gasphase an der lasererhitzen Stelle erfolgt.
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