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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Halogenglühlampen
sind insbesondere für Betrieb an Niedervolt bis Hochvolt
(HV) gedacht. Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches
Bauteil für eine derartige Halogenglühlampe.
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Stand der Technik
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Die
EP 1 410981 offenbart eine
Halogenglühlampe, bei der ein Reflektor mit retroreflektierenden
Eigenschaften verwendet wird. Dies ist für die Beleuchtung
von Kleinfahrzeugen interessant.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstige
HV-Lampe bereitzustellen, die jedoch sich gleichzeitig auch durch
hohe Effizienz auszeichnet.
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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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Im
einzelnen geht es darum, selektiv die von einer Wendel emittierte
IR-Strahlung auf die Wendel zurückzureflektieren um den
Energieverbrauch der Halogenglühlampe zu reduzieren.
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Bekannt
sind optische Systeme mit normaler IRC-Beschichtung, z. B. Halogenglühlampen.
Insbesondere bei niederwattigen Hochvolt-Systemen (unter ca. 100
W) besteht jedoch das Problem, dass die Wendel genau im Fokus der
Optik liegen muss. Gleichzeitig sind aber diese HV-Wendeln sehr
lang und dünn. Damit besteht einerseits das Problem, die Wendel überhaupt
ausreichend genau zu positionieren, und andererseits, dass im Betrieb
selbst bei geringem Wendeldurchhang sofort die Effizienz stark abnimmt.
Aufwendige Lösungen, um mit diesem Problem fertigzuwerden,
sind optisch geformte Kolben. Insbesondere gibt es Lösungen,
bei der eine Halterlampe mit Ellipsoidkolben IRC-beschichtet ist.
Dabei bleibt jedoch die Problematik des Wendeldurchhangs bestehen
und kann höchstens abgemildert werden. Außerdem
gibt es Lampentypen, bei denen diese Technologie nicht angewendet
werden kann, weil sie inhärente Vorsicherungen erfordern.
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Erfindungsgemäß wird
daher ein völlig neuer Ansatz verwendet. Er besteht im
Einsatz eines selektiv wirkenden Retroreflektors statt einer aufwendigen Optik
zur selektiven Rückstrahlung der IR-Strahlung auf die Wendel.
Als Retroreflektoren werden Systeme bezeichnet, die einen Lichtstrahl
in die jeweilige Einfallsrichtung zurückreflektieren. Bekannt
sind hier z. B. Reflexionsfolien für Kleidung, Reflektoren
auf Straßenbegrenzungspfosten, Rückstrahler an
Fahrrädern etc.. Kombiniert man ein solches System mit der
Eigenschaft selektiver Reflexion von IR-Strahlung, so wird grundsätzlich
die IR-Strahlung auf den Leuchtkörper, also z. B. die Wendel,
zurückreflektiert. Da solche Systeme nur mit relativ hohem
Aufwand fokussierend wirken, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei
der die reflektierenden Elemente ähnliche oder geringere
Größendimensionen aufweisen wie der IR-Emitter
(also die Wendel). Sowohl für die Ausführung der
Retroreflektors als auch für die Art und Weise, wie die
Selektivität realisiert wird, gibt es eine große
Anzahl von Ausführungsform, die als grundsätzliche
technische Möglichkeit für sich genommen zwar
bekannt sind, aber nicht in Zusammenhang mit einer direkten Anwendung
für Halogenglühlampen.
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Grundsätzliche
an sich bekannte Ausführungsbeispiele für Retroreflektoren
sind Tripelspiegelreflektoren und sogenannte Katzenaugen. Tripelspiegelreflektoren
bestehen aus kleinen dreiseitigen Pyramiden auf der Rückseite
eines transparenten Materials (z. B. Glas), deren Seiten senkrecht
aufeinander stehen. Bereits ohne Verspiegelung funktioniert ein
solcher Retroreflektor durch Totalreflexion. Katzenaugen nutzen
im Wesentlichen optische Eigenschaften – meist kugelförmiger-
transparenter Körper, die auf der Rückseite mit
einer reflektierenden Schicht versehen sind. Im Kleinen wird dieses Prinzip
z. B. auch bei Reflektionsfolien verwendet.
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Zur
Erzeugung der Selektivität des Reflektors gibt es ebenfalls
eine große Anzahl an Möglichkeiten. An sich bekannt
sind vor allem IRC-Schichten, die für eine vorgegebene
Geometrie optimiert werden können. Für die Optik
bei Katzenaugen liegt die Wirkungsweise auf der Hand; bei Tripelspiegeln wird
hier die entspiegelnde Eigenschaft der IRC-Schicht genutzt, um die
Totalreflexion im sichtbaren Bereich zu unterdrücken und
das sichtbare Licht auszukoppeln.
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Für
die Version mit Tripelspiegeln ergeben sich weitere Optionen, da
die Reflektion bereits über die Totalreflexion an den Seitenflächen
der Pyramiden gewährleistet ist. Die Aufgabe reduziert
sich deshalb auf eine möglichst effiziente Entspiegelung
im sichtbaren Wellenlängenbereich. Es gibt also keine Notwendigkeit
für reflektierende Eigenschaften. Hier kommen z. B. neuere
technische Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologie in Betracht.
Z. B. kann eine poröse nanoskalige Schicht (z. B. mittels Sol-Gel-Verfahren
hergestellt) durch eine für den sichtbaren Wellenlängenbereich
kontinuierlich zur Oberfläche hin abnehmende Brechzahl
die entsprechende Totalreflexion unterdrücken, für
IR-Strahlung aber „glatt” wirken und deren Totalreflexion
nicht beeinträchtigen.
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Meist
haben HV-Lampen mit IRC-Beschichtung nur einen zentralen Wendelschenkel
um hohe Effizienzen durch Abstimmung zwischen Leuchtkörper
und geeignet geformtem Kolben ohne komplizierte Technologie erreichen
zu können. Derartige einfache Systeme eignen sich hauptsächlich
für MV-Lampen (80 bis 140 V), weil hier der Leuchtkörper
aus technischen Gründen nicht so lang sein muss wie bei echten
HV-Lampen.
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Moderne
echte HV-Halogenglühlampen (bis 260 V) werden üblicherweise
mit zwei Wendelschenkeln ausgestattet. Sie verlaufen in aller Regel achsparallel.
Um den langen Leuchtkörper unterzubringen, wurde daher
bisher der Leuchtkörper als Zylinder aufgewickelt. Hier
funktioniert aus geometrischen Gründen die Rückreflexion
nicht so einfach, da der Leuchtkörper nicht mehr in der
Achse des Kolbens liegt.
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Bekannte
optische Systeme mit angepasster Form des Kolbens werden also erstmals
durch einen Retroreflektor ersetzt, der – innerhalb gewisser
Grenzen und mit bestimmten Randbedingungen, wie an sich bekannt – die
einfallende Strahlung in die Herkunftsrichtung zurückstrahlt.
Damit wird sowohl das Problem der Anfangspositionierung als auch
das des Wendeldurchhangs umgangen. Es kann sogar eine Verformung
eines teils des Kolbens für eine Wendelaufhängung
in Kauf genommen werden, insbesondere mittels der kosteneffizienten
Noppentechnik. Der Einfallswinkel sollte relativ klein sein, daher
ist neben einem einfach herstellbaren zylindrischen Kolben ein elliptisch
o. ä geformter Kolben bevorzugt.
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Für
die Realisierung eines Retroreflektors gibt es zwei Grundvarianten
(Tripelspiegel und Katzenauge) mit vielen Ausführungsmöglichkeiten.
Prinzipiell sollte ein möglichst großer Teil der
Kolbenoberfläche so strukturiert sein.
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Es
sollte die Dimension der Pyramiden auf der Oberfläche etwa
im Bereich von 0,2 mm liegen. Bevorzugt ist ein Wert von 0,1 bis
0,6 mm als Länge L einer Basisseite einer einzelnen Pyramide.
Der Grund für diese Wahl ist der Parallelversatz des reflektierten
Strahls gegenüber dem einfallenden Strahl, denn der reflektierte
Strahl sollte noch zu einem möglichst großen Teil
die Wendel treffen. Diese Geometrie alleine wird zunächst über
Totalreflexion einen großen Teil der von der Wendel emittierten Strahlung
auf die Wendel zurückreflektieren. Die IRC-Schicht dient
dabei als selektive Entspiegelung:
Dabei muss ein Weg gefunden
werden, dass der Retroreflektor, dessen Sinn die Rückreflexion
zum Leuchtkörper hin ist, für sichtbares Licht
durchlässig ist. Neben der prinzipiellen Technik, einen
Retroreflektor für diesen Zweck einzusetzen, ist daher
die Einhaltung zweier Eigenschaften bevorzugt:
- a)
Die Dimension der reflektierenden Elemente liegt in der Größenordnung
des Wendeldurchmessers WD, insbesondere ist sie kleiner. Insbesondere
gilt:
0,1 WD ≤ L ≤ 1,2 WD, bevorzugt ist
die Untergrenze 0,5 WD.
- b) Die IRC-Schicht wird so eingestellt, dass bei einem mittleren
Einfallswinkel von etwa 40 bis 50° möglichst viel
sichtbares Licht durchgelassen wird, IR-Strahlung aber möglichst
gut reflektiert wird.
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Bei
der Realisierung einer solchen Struktur ist es prinzipiell möglich,
sie durch Formen des geschmolzenen Glases herzustellen, aufgrund
der gewünschten Genauigkeit und auch aus Verschleißgründen
ist aber eine Herstellung über einen Sol-Gel-Prozess, wie
an sich bekannt, sinnvoller.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel ist eine separate Hülse,
die über den normalen glatten zylindrischen Kolben gestülpt
wird. Diese Hülse ist mit konventioneller Technologie nicht
herstellbar, da die Verzerrungen durch den Lampenkolben es unmöglich machen
würden, die Wendel mit der externen Optik zu treffen, und
die Justierung der Lampe im IRC-Reflektor sehr aufwändig
wäre. Mit der separaten Hülse kann man die Effizienz
jeder Glühlampe erhö hen. Dabei muss die Hülse
nicht zwingend aus Quarzglas bestehen, sondern aus einem beliebigen,
transparenten Material, das vor allem den thermischen Anforderungen
standhalten muss. Dabei kann es sich insbesondere um hochtemperaturbeständigen Kunststoff
handeln.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 eine
Halogenglühlampe in Perspektive;
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2 eine
Halogenglühlampe in Seitenansicht;
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3 ein
Schema der Struktur der Schicht,
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4 eine
Hülse als separates Teil.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Ein
Ausführungsbeispiel einer Halogenglühlampe 1 zeigt 1.
Sie hat einen Kolben 2, der mittels einer Quetschung 3 an
einem Ende einseitig verschlossen ist. Das zweite Ende ist mittels
einer Pumpspitze 4 abgeschlossen. Der Kolben ist im wesentlichen
ein Zylinder mit gegebenem Außendurchmesser. Der Kolben
definiert eine Längsachse A.
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Ein
Leuchtkörper 10 ist mit zwei Wendelschenkel 11 ausgestattet,
siehe 2, die in einer Ebene liegen und einen Abstand
zur Achse besitzen. Die beiden Schenkel 11 sind im wesentlichen achsparallel
angeordnet, sie können aber auch V-förmig oder
W-förmig angeordnet sein. Der Leuchtkörper weist
weiterhin eine Zuleitung 9 von jedem Schenkel zur Quetschung
hin auf. Die Zuleitung endet in der Quetschung an einer Folie 12,
wie an sich bekannt.
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Des
weiteren weist der Leuchtkörper ein Zwischenstück
13 auf,
das sich U-förmig vom ersten Ende eines ersten Schenkels
11 zum
gleichartigen ersten Ende eines zweiten Schenkels
11 erstreckt, wie
an sich bekannt. Dieses Zwischenstück ist durch eine Haltenoppe
15 zentral
gehaltert, die in der Nähe der Pumpspitze angeordnet ist.
Diese Art der gestellfreien Halterung ist an sich aus dem Stand
der Technik bekannt, siehe beispielsweise
EP 446 460 . Die Art der Halterung ist
jedoch nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung.
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Das
Volumen des Kolbens ist mit einer üblichen halogenhaltigen
Füllung gefüllt. Auf die genaue Zusammensetzung
kommt es bezüglich der vorliegende Erfindung nicht an.
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Das
Material des Kolbens ist Quarzglas, wobei es auch hier auf die genaue
Zusammensetzung nicht ankommt. Der Kolben ist zumindest in einem zentralen
Bereich außen mit einer Infrarot-reflektierenden Beschichtung
16 versehen.
Die IRC-Beschichtung ist beispielsweise eine SiO2-Nb205-Interferenzfilterbeschichtung,
oder auch eine kompliziertere Beschichtung wie beispielsweise in
US 2007/228986 beschrieben.
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Der
Leuchtkörper ist hier ein doppelt gewendelter Draht mit
einem Durchmesser von etwa 200 bis 2000 μm, dessen Enden
einfach gewendelt sind und so als Zuleitungen und Zwischenstück
fungieren.
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Auf
der Außenseite des Kolbens ist abschnittsweise, ringförmig
oder großflächig eine Struktur 20 aufgebracht.
Sie ist tripelspiegelbasiert, siehe 3, und außerdem
IRC-beschichtet.
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Möglichkeiten
zur Erzeugung der Struktur sind: Laserbearbeitung; diese ist allerdings
relativ aufwendig.
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Herstellung
des Kolbens mittels Sol-Gel Verfahrens mit direkter Ausformung der
retroreflektierenden Struktur. Eine derartige Technologie wird im
Prinzip von der Fa. SGIL, Ilmenau, oder Fa. Evonik angeboten.
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Der
große Vorteil eines derartigen Systems ist, dass der Kolben
nicht mehr selbst als optisches System geformt werden muss. Außerdem
kann der Kolben teilweise verformt sein, ohne dass dies die Funktionsweise
beeinträchtigt. Insbesondere kann eine Noppentechnik trotz
IRC-Anforderungen eingesetzt werden.
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Die
Kantenlänge der Pyramiden auf der Außenfläche
sollte bevorzugt bei etwa bei 0,1–0,2 mm liegen.
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4 zeigt
eine ringartige Hülse 30 mit Tripelspiegel-Struktur,
die als separates Teil auf den Kolben einer Halogenglühlampe
aufgezogen werden kann. Sie ist in ihrem Durchmesser dem Außendurchmesser
des Kolbens genau angepasst und wird mittels punktuellem Erwärmen
mittels Laser oder mittels eines durchsichtigen Klemmrings darauf
befestigt.
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Eine
Alternative ist eine Anordnung, die eine separate Hülse
mit Katzenaugen verwendet.
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Diese
Anordnung lässt sich im Prinzip auch für Soffittenlampen
verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1410981 [0002]
- - EP 446460 [0026]
- - US 2007/228986 [0028]