DE19624768A1 - Kristallreflektor - Google Patents

Description

Zur besseren Ausnutzung einer Lichtquelle werden fast immer Reflektoren eingesetzt. Hierdurch soll die Strahlung in die gewünschte Richtung gelenkt werden. In den überwiegenden Fäl­ len ist eine Parallelisierung der Lichtbündel gewünscht.

Als Reflektormaterial wird immer eine spiegelnde Oberfläche verwendet, wobei es sich in sehr vielen Fällen um ein hoch­ glänzendes Aluminium handelt. In letzter Zeit wird auch häufig ein beschichteter Glasreflektor eingesetzt, wobei die Be­ schichtung so gewählt ist, daß nur das Nutzlicht reflektiert wird und vor allem das IR den Glaskörper passiert.

In Profi-Sonnenbänken werden bis auf eine Ausnahme wegen des hohen Reflexionsvermögens für UV nur Aluminiumreflektoren verwendet. Da nur für Quecksilberdampfhochdrucklampen mit einer Plasmastrecke von einigen Zentimetern Reflektoren benötigt werden, ist wiederum bis auf eine Ausnahme eine kastenförmige Ausprägung dieser Reflektoren im Einsatz. Hierbei sollte in der Schnittebene, welche senkrecht zur Plasmastrecke steht, die Kontur des Reflektors parabelförmig sein.

Probleme

Probleme entstehen dann, wenn die Lichtquelle nicht punkt­ förmig ist. Bei den meisten Glühlampen sind die Glühwendeln so aufgebaut, daß diese im Vergleich zu den wesentlich größeren Reflektoren nahezu punktförmig erscheinen.

Wesentlich schwieriger ist es, einen optimalen Reflektor für streckenförmige Lichtquellen zu schaffen. Neben stärkeren Halogenlampen betrifft dies vor allem alle Gasentladungslampen mit einem Leuchtplasma von einigen Zentimetern Länge.

Wie zuvor dargestellt, finden hier überwiegend Reflektorkästen ihren Einsatz, wobei zumindest in der zur Plasmastrecke senk­ recht stehenden Ebene die Form parabelförmig sein sollte. Hierbei sind jedoch zwei wesentliche Schwachstellen unvermeid­ lich. Zum einen kann die parabelförmige Umhüllung der Plasma­ strecke nur einen begrenzten Abstrahlwinkel nutzen, da der Reflektor nicht unbegrenzt tief sein kann und zum anderen gilt die Parabelform nur für eine Ebene. Jede Abstrahlung, die von der Plasmastrecke in eine andere Ebene führt, wird nicht mehr optimal gerichtet und geht zum größten Teil im Hinblick auf die zu bestrahlende Fläche verloren.

Bei den Gesichtsfeldern von Sonnenbänken führen diverse Fehler und konstruktionsbedingte Einengungen zu überwiegend katastro­ phalen Reflektoren. Viele dieser so bezeichneten Vorrichtungen verdienen nicht einmal diese Bezeichnung.

Nicht nur, daß die Form in nur geringen Bereichen oder über­ haupt nicht parabelförmig ist, sondern auch die Positionierung der Strahler erfolgt überwiegend ohne jeden Sinn. Selbst dann, wenn eine hinreichend erkennbare Parabelform vorhanden ist, liegt die Plasmastrecke keineswegs im Fokus der Parabel. Mei­ stens bestimmt eine weitverbreitete Keramikhalterung die Lage des Strahlers, die in den wenigsten Fällen zum Reflektor paßt.

Weiterhin steht bei der Auswahl des Reflektormaterials nur die Absicht im Vordergrund, möglichst wenig hierfür auszugeben. So mindern die Oberflächenbeschaffenheit und -struktur die ohne­ hin geringe Effektivität des Reflektors nochmals deutlich.

Da in fast allen Sonnenbänke die Einbautiefe durch den Aufbau des Oberteils begrenzt ist, bleiben die Reflektoren immer recht flach. Selbst dann, wenn die Form optimal wäre, was fast nie der Fall ist, führt die geringe Tiefe dazu, daß die Plas­ mastrecke nur zu einem sehr geringen Teil vom Reflektor um­ hüllt ist. Daher liegt die Nutzung in der optimalen Ebene meistens unter 50%, da auch der Bereich unwirksam bleibt, der durch den Strahler abgeschattet wird.

Selbst bei einem sehr guten Aluminiummaterial ergeben sich Reflexionsverluste von ca. 15%. Gut berechnete und richtig genutzte Reflektoren nutzen damit nur ca. 40% des Lichtes in der optimalen Ebene. Bei den meisten am Markt befindlichen Reflektoren wird dieser Wert jedoch deutlich unterschritten. Unberechnete Formen, falsche Positionierung der Strahler, zwei Strahler in einem Reflektor und minderwertige Oberflächen führen dazu, daß die Nutzquote auf unter 10% fällt. Diese unglaublich geringe Nutzung, welche immer in bezug zur be­ schienen Fläche zu sehen ist, scheint speziell im Bereich des Solarienbaus üblich zu sein.

Problemlösungen

Um einen optimalen Reflektor zu konstruieren, sollte im Vordergrund stehen, daß zumindest in der parabelförmigen Ebe­ ne, also senkrecht zur Lichtstrecke, eine möglichst hohe Nut­ zung erreicht wird. Dies geschieht dadurch, daß die Licht­ strecke 360° umhüllt und genutzt wird. Weiterhin sollte auch in der dazu senkrecht stehenden Ebene weitgehend vermieden werden, daß das Licht außerhalb der Bestrahlungsfläche gerät.

Aus den oben dargestellten Gründen läßt sich dies mit einem parabelförmigen Reflektorkasten nicht erreichen. Eine recht gute Lösung ist ein Rotationsparaboloid mit einem darin ste­ hend angebrachten Hochdruckstrahler mit kurzer Plasmastrecke, wobei die Mitte des Plasmas im Fokuspunkt des Paraboloids liegt. Diese Lösung ist allerdings recht teuer und es bedarf eines Spezialstrahlers.

Bei Sonnenbänken sollte es machbar sein, daß hier auch noch nachträglich eine Optimierung möglich ist, ohne daß die einge­ bauten Teile wesentlich verändert werden.

Beschreibung

Eine konkrete Problemlösung ist die erfindungsgemäße Vorrich­ tung, nämlich der Kristallreflektor.

Bei diesem, aus einem lichtleitenden Material bestehenden Reflektor, wird das Licht gerichtet und geleitet. Die Richtung erfolgt durch entsprechend konstruierte Optiken. Die Licht­ leitung geschieht durch festgelegte Totalreflexionen innerhalb des lichtleitenden Materials. Durch das Zusammenspiel dieser zwei Eigenschaften wird möglichst jeder Lichtaustritt aus der Lichtstrecke im Winkel von möglichst 360° aufgenommen, so gerichtet, daß möglichst nur die Bestrahlungsfläche beschienen wird und so geleitet, daß das gesamte Licht in eine Haupt­ richtung geführt wird.

Für normale Lichtanwendungen kann übliches Glas dafür einge­ setzt werden, wobei zur Nutzung bei UV-Lichtquellen hoch UV-transparentes Material genommen werden muß. Hier kommen be­ sonders reine Bor- oder Aluminiumsilikate in Frage, aus denen die wenigen notwendigen Teile gegossen werden können.

In einer hier vorgestellten Variante dieses Kristallreflektors wird die 360°-Abstrahlung in vier Bereiche a 90° aufgeteilt. Die divergierende Strahlung wird in der vorgestellten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels einer Fresnelzylin­ derlinse parallelisiert. Die nach links und rechts führenden parallelen Lichtbündel werden durch Prismen um 90° in die Hauptrichtung geleitet. Das nach unten führende parallele Licht wird in zwei Bündel aufgeteilt und durch eine Lichtleit­ strecke über vier Totalreflexionen in die Hauptrichtung geführt.

Auf diese Weise wird eine optimale Nutzung des abgestrahlten Lichtes erzielt. Trotz der verschiedenen Reflexionsverluste wird in der zur Lichtstrecke senkrecht stehenden Ebene eine Nutzungsquote von über 80% erreicht.

Durch Aufteilung in mehrere Sektoren wird auch eine Optimie­ rung der Lichtführung in der senkrecht zur oben beschriebenen Ebene erzielt, womit sich wiederum eine zusätzliche Verbesse­ rung zu den bisher eingesetzten Lichtkästen ergibt.

Der erfindungsgemäße Kristallreflektor kann um einen Strahler herum angeordnet werden und an den beiden Quetschungen fixiert werden. Genügend Raum um den Strahler und trichterförmige Endstücke gewährleisten eine ausreichende Kühlung des Strah­ lers, in dem die Luft parallel zum Strahler geführt wird und hierzu alle wesentlichen Luftanströmungen genutzt werden.

Der Strahler wird zusammen mit dem umgebenden Kristallreflek­ tor in die Fassung eingesetzt. Ist der Abstand zum eingebauten Reflektorblech zu gering, kann auf die unteren Fresnelzylin­ derlinsen und die Lichtleitstrecke verzichtet werden. Hier­ durch reduziert sich zwar die Nutzungsquote auf etwas über 60%, was aber immer noch weitaus besser ist, als optimale Lichtkästen und mehrfach besser, als die durch den extrem flachen Reflektorkasten erzielte Quote.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nahezu jede Sonnenbank mit einem Hochdruckgesichtsfeld optimiert werden, wobei eine erhebliche Verbesserung erzielt wird.

Die hier vorgestellte Variante zeichnet sich dadurch aus, daß nur drei unterschiedliche Teile benötigt werden, die entspre­ chend vielfach zusammengesetzt werden und hierdurch das Ge­ samtsystem bilden.

Auch andere Varianten sind möglich, mindestens mit einer drei­ maligen 120°-Aufteilung oder mit mehr als der viermaligen Aufteilung von 90° bis zur n-maligen Aufteilung von 360/n°.

Der Einsatz ist sowohl für herkömmliche Lichtquellen mit stab­ förmigen Lichtstrecken, als auch für Lichtquellen mit stabför­ migen Plasmastrecken geeignet, sowohl für die Erstbestückung als auch für den nachträglichen Einbau. In jedem Fall wird eine erhebliche Verbesserung der Nutzung des Lichtes auf der zu bescheinenden Fläche erzielt.

Durch die Gestaltung der Austrittsflächen, resp. der Ein­ trittsfläche der oberen Fresnelzylinderlinse kann neben der hier beschriebenen parallelen Lichtführung auch eine gezielte Divergenz oder Konvergenz der Strahlung erreicht werden, womit auch unterschiedliche Flächendimensionen bei entsprechenden Abständen optimal ausgeleuchtet werden können.

Anhand der Zeichnungen soll eine sinnvolle Variante der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung gezeigt werden, wobei in den Fig. 1 bis 3 die folgenden Einzelheiten dargestellt werden:
Ein Hochdruckstrahler 1 mit dem nahezu punktförmigem Plasma­ querschnitt 2 befindet sich innerhalb des Kristallreflektors. Dieser besteht aus den Fresnelzylinderlinsen 3, die an ihren Enden jeweils kreisförmige Justieröffnungen 4 aufweisen. Das aus dem Plasma austretende Licht, dargestellt durch einige Lichtstrahlen 9, wird seitwärts nach den Fresnellinsen 3 in die Prismenstücke 5 geführt. Das nach unten austretende Licht wird nach Durchgang durch die untere Fresnellinse 3 durch die Lichtleitstücke 6 in zwei Bündel aufgeteilt. Die Lichtführung erfolgt durch die Totalreflexion an der Prismaseite 7 und bei den Lichtleitstücken an den Seiten 8.

Die Draufsicht nach Fig. 3 zeigt die diversen Lichtaustritts­ fenster, so das der Lichtleitstücke 12, der Prismen 13 und der Fresnelzylinderlinsen 15. Die verzahnten Endstücke 14 der Fresnellinsen 15 werden durch den Fixierungsstift 16 mitein­ ander verbunden und durch die Endstücke 17 gehalten. Zu sehen ist weiterhin der Strahler 10 und die Segmentierung 11.

In der Seitenansicht nach Fig. 2 sind wiederum die Segmente 22 erkennbar. Auch die Luftführung ist dargestellt. Von oben kommende Luft 18 und/oder seitlich strömende Luft 19 treten durch den Luftführungstrichter 21 in den Kristallreflektor und strömen als austretende Luft 20 an der gegenüberliegenden Seite heraus.

Claims (20)

1. Reflektorvorrichtung zur Ausrichtung der Strahlung einer Lichtquelle, insbesondere einer streckenförmigen Licht­ quelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorvorrichtung lichtdurchlässige Elemente auf­ weist, die das Licht ausrichten, und das Licht leitende Elemente vorgesehen sind, die mit den lichtdurchlässigen Elementen optisch in Verbindung stehen und die das Licht einer Hauptabstrahlrichtung zuführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle in einer Abstrahl­ ebene vollständig von der Reflektorvorrichtung und minde­ stens einem optischen Element umgeben ist, das das von der Strahlenquelle emittierte Licht direkt nach der Haupt­ abstrahlrichtung aus richtet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die das Licht ausrichtenden optischen Elemente als Fresnelzylinderlinsen ausgeführt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reflek­ torvorrichtung aus wenigen gleichartigen Teilen aufgebaut ist und aus mehreren Segmenten besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von UV-Lichtquellen als lichtdurchlässiges Material der Reflektorvorrichtung Bohr- oder Aluminiumsilikate verwen­ det werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß seitlich an der Reflektorvorrichtung luftdurchströmbare Trichter als Luftführung angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Befestigung der Reflektorvorrichtung an den Endberei­ chen streckenförmiger Strahlenquellen vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fresnel­ zylinderlinsen in einem vorbestimmten Ausmaß divergente oder konvergente Strahlung erzeugen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß von der Re­ flektorvorrichtung vier Winkelbereiche des Lichtquellen­ querschnitts von jeweils 90° erfaßt werden und daß die Reflektorvorrichtung aus nur drei lichtdurchlässigen Bau­ teilen unterschiedlicher Bauart besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Licht­ führung in den lichtleitenden Elementen über Totalreflexion an den entsprechenden Seiten erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als lichtleitende Elemente Prismen vorgesehen sind.

12. Vorrichtung eines Kristallreflektors, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrecke einer Lichtquelle von lichtdurchlässigen Materialien lichtrich­ tend und -führend in der Weise umgeben ist, daß in der senkrecht zur Lichtstrecke liegenden Ebene ein möglichst großer Winkel, optimal 360°, erfaßt wird, wobei das Licht durch Optiken gerichtet wird und über Lichtleitstücke in eine Hauptrichtung geführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Optiken Fresnelzylinder­ linsen eingesetzt werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kristall­ reflektor aus wenigen gleichförmigen Teilen aufgebaut ist, wodurch sich eine Segmentierung des Reflektors ergibt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß für UV-Licht­ quellen Bor- oder Aluminiumsilikat als lichtdurchlässiges Material verwendet wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Luftfüh­ rung durch seitlich angebrachte Lufttrichter erfolgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kristall­ reflektor mittels entsprechender Vorrichtungen direkt an den Endstücken der Strahler festgemacht werden kann.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtaus­ trittsfenster und/oder die Lichteintrittsflächen der Fresnelzylinderlinsen in der Weise geformt werden, daß die Strahlung kalkuliert divergiert oder konvergiert.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß vier Winkel­ bereiche des Plasmaquerschnitts von je 90° erfaßt werden und der Kristallreflektor aus nur drei unterschiedlichen Glasteilen besteht.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Licht­ führung in den Prismen und Lichtleitstücken über die To­ talreflexion an den entsprechenden Seiten erfolgt.