DE19844164A1 - Energiesparlampen mit im Infraroten reflektierendem Film - Google Patents

Energiesparlampen mit im Infraroten reflektierendem Film

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Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Glühlampen, Halogenlampen und Bogenlampen, und insbesondere bezieht sie sich auf derartige Lampen, deren Kolben mit einem im Infraroten abstrahlenden Film beschichtet sind.
Stand der Technik
Die Lichtausbeute herkömmlicher Glühlampen beträgt weniger als 15%, wobei mehr als 80% der gesamten Energie, die sie verbrauchen, in infrarote Strahlung umgewandelt wird. Sogar bei den effizienteren Natrium-Hochdruck­ lampen, bei den Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen werden 20-30% der gesamten Energie in infrarote Strahlung umgewandelt. Ein großer Betrag der infraroten Strahlung wird von den Lampen emittiert, wodurch nicht nur der Verbrauch an elektrischer Energie zunimmt, sondern auch unser Lebensraum verunreinigt wird. Viele Jahre lang haben Wissenschaftler nach einen Weg ge­ sucht, die Lichtausbeute derartiger Lampen zu verbessern und deren infrarote Strahlung auszunutzen.
Anfang der 90-iger Jahre wurde vorgeschlagen, einen im Infraroten re­ flektierenden Film auf der Kolbenoberfläche einer Lampe aufzubringen, so daß die infraroten Strahlen, die von dem Glühdraht oder der Bogenentladungsröhre der Lampe emittiert werden, derart zurück zu dem Glühdraht oder der Bogen­ entladungsröhre reflektiert werden, daß sie diese erhitzen und dadurch die Lichtausbeute der Lampe beträchtlich erhöhen. Ein derartiger Reflexionsfilm kann jedoch nur unterhalb von 500°C verwendet werden, wobei oberhalb die­ ser Temperatur kristalline Stoffe in dem Film auftreten, die die Lampe un­ brauchbar machen. Da ein Glühdraht gewöhnlich in der Form einer geraden Linie hergestellt ist und eine bestimmte Länge aufweist, kann er andererseits nicht in der Form eines Punktes hergestellt werden. Außerdem weist der elek­ trische Bogen, der von einer Bogenentladungsröhre erzeugt worden ist, auch eine lineare Form auf bzw. ist linienförmig. Um eine Lampe mit einer derartigen Lichtquelle in einer linearen Form herzustellen, ist die Form des Kolbens der Lampe sehr wichtig. Wenn der Kolben mit dem Glühdraht nicht zusammenpaßt, werden die infraroten Strahlen nicht zu dem Glühdraht oder der Bogenentla­ dungsröhre reflektiert, um diese aufzuheizen, wodurch es unmöglich wird, die Lichtausbeute zu erhöhen.
Anfang der 90-iger Jahre wurde ferner vorgeschlagen, den linearen bzw. linienförmigen Glühdraht in eine Ebene zu krümmen und diesen im Zentrum des Kolbens einer sphärischen bzw. kugelförmigen Lampen derart anzuordnen, um Punktsymmetrie (Kreismittelpunkt) auszubilden. Unterdessen wird die in­ nere Oberfläche des Kolbens mit einem im Infraroten reflektierenden Film be­ schichtet. Aus der Sicht der geometrischen Optik kann jedoch ein großer Teil der infraroten Strahlung, die von dem Glühdraht einer derartigen Lampe emi­ ttiert wird, nicht zu dem Glühdraht zurück reflektiert werden. Dies rührt von der unsymmetrischen Reflexion von dem kugelförmigen oder bogenförmigen Kol­ ben zu dem linearen bzw. linienförmigen Glühdraht, der im Zentrum des Kol­ bens angeordnet ist, her. Eine Halogen-Wolfram-Glühlampe mit einem im Infra­ roten reflektierenden Film ist von der GE-Corporation in den USA entwickelt worden. In einer derartigen Lampe ist ein Glühdraht auf der Hauptachse eines elliptischen Kolbens angeordnet und die äußere Oberfläche des Kolbens ist mit einem im Infraroten reflektierenden Film beschichtet. Da der elliptische Kolben zwei Brennpunkte hat, wird sich ein Teil der reflektierten infraroten Strahlen um die Brennpunkte konzentrieren, so daß die Abschnitte in der Nähe der zwei Brennpunkte des Glühdrahts außerordentlich erhitzt bzw. aufgeheizt werden, wodurch die Lebensdauer des Glühdrahts beträchtlich verkürzt wird. Unterdes­ sen wird ein großer Betrag der von den zwei Endabschnitten des Kolbens re­ flektierten infraroten Strahlen nicht in der Lage zu sein, zu dem Glühdraht zu­ rückzukehren, so daß die Lichtausbeute nicht sehr hoch ist. Obwohl es viele Arten von Lampen gibt, die sphärische oder zylindrische oder elliptische Kol­ ben verwenden, weist keine von diesen aus verschiedener Gründen eine hohe Lichtausbeute auf.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile zu überwinden und eine Lampe bereitzustellen, deren Kolben mit einem im Infraroten reflektierenden Film beschichtet ist, wobei der Kolben eine Form eines Doppel-Paraboloids verwendet, um mit einem linearen Glühdraht oder einer linearen Bogenentladungsröhre, die in diesem angeordnet sind, eine Anpassung vorzunehmen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In einer derartigen Lampe werden die von dem Glühdraht oder der Bo­ genentladungsröhre emittierten infraroten Strahlen gleichmäßig bzw. gleich­ förmig auf den Glühdraht oder die Bogenentladungsröhren von dem im Infraro­ ten reflektierenden Film auf dem Kolben reflektiert, so daß der Glühdraht oder die Bogenentladungsröhre gleichmäßig erhitzt werden. Dadurch wird die Licht­ ausbeute um ungefähr 50% verbessert und die Lebensdauer bzw. Gebrauchs­ dauer der Lampe beträchtlich verlängert.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Energiesparlampe mit einem Sockel bereit, der mit einem Kolben in Eingriff steht, welcher sich aus einer Linse und einem Reflektor, die in geeigneter Weise einen linearen bzw. linienförmigen Glühdraht oder eine lineare bzw. linienförmige Bogenentladungsröhre umge­ bend miteinander verbunden sind, zusammensetzt. Die Linse und der Reflektor haben jeweils eine innere Paraboloid-Oberfläche, wobei ein im Infraroten re­ flektierender Film darauf aufgebracht ist. Der Glühdraht oder die Bogenentla­ dungsröhre sind bezüglich einer Achse ausgerichtet, die die Scheitel der Linse und des Reflektors verbindet, wobei der Reflexionsbrennpunkt der Linse mit dem des Reflektors zusammenfällt oder sich auf der Achse in etwas geringe­ rem Abstand zu dem Scheitel des Reflektors als der Reflexionsbrennpunkt des Reflektors befindet und der Glühdraht oder die Bogenentladungsröhre zwi­ schen dem Reflexionsbrennpunkt des Reflektors und dem Scheitel des Reflek­ tors angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung setzt sich der Film der auf der Linse und auf dem Reflektor aufgebracht ist, aus einer Vielzahl von TiO2-Fil­ men und SiO2-Filmen oder einer Vielzahl Ta2O5-Filmen und SiO2-Filmen zu­ sammen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung setzt sich der Film, der auf dem Reflektor aufgebracht ist, aus Aluminium oder Silber zusammen.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Lampe eine Lampe in der Ausführung mit zwei Endabschnitten (double-end type), die aus der Gruppe aus Glühlampen, Halogenlampen, Natrium-Hochdrucklampen oder Natrium-Niederdrucklampen, Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen u. a. ausgewählt worden ist.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Lampe eine Lampe in der Ausführung mit einem Endabschnitt (single-end type), die aus der Gruppe aus Glühlampen, Halogenlampen, Natrium-Hochdrucklampen oder Natrium-Niederdrucklampen, Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen u. a. ausgewählt worden ist.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Lampe weiter eine Positionierungsvertiefung in dem Scheitel der Linse auf, in der ein An­ schlußdraht von einem Endabschnitt des Glühdrahts oder der Bogenentla­ dungsröhre angebracht ist, um den Glühdraht oder die Bogenentladungsröhre derart zu befestigen, daß diese die Ausrichtung bezüglich der Achse beibehal­ ten.
Die Brennweite des Reflektors ist auf der Grundlage der Länge des Glüh­ drahts oder der Bogenentladungsröhre derart bestimmt, daß alle infraroten Strahlen gleichmäßig bzw. gleichförmig auf den linearen Glühdraht oder die Bogenentladungsröhre reflektiert werden, während das sichtbare Licht durch die Linse vom Kolben emittiert wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform an­ hand der Zeichnung.
Hierbei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Energiespar­ lampe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Genauer gesagt, zeigt Fig. 1 schematisch eine Lampe in der Ausführung mit zwei Endabschnitten, wie beispielsweise eine Glühlampe, eine Halogen­ lampe, eine Natrium-Hochdrucklampe oder Natrium-Niederdrucklampe, eine Metall-Halogenid-Lampe oder Xenonlampe, wobei ein im Infraroten reflektie­ render Film auf deren Kolben aufgebracht ist. In Fig. 1 bezeichnet das Be­ zugszeichen 10 einen Reflektor, der aus Glas hergestellt ist, bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine Linse oder Abdeckung, die aus Glas hergestellt sind, und bezeichnet das Bezugszeichen 12 die innere Oberfläche des Reflektors 10 die ein Paraboloid ist und nach der folgenden Gleichung berechnet werden kann:
Hierbei ist y1 die Ordinate des Paraboloids, x die Abszisse des Parabo­ loids, r der Radius des Kalibers bzw. Innendurchmessers des Reflektors 10 und b1 die Höhe des Reflektors.
Das Bezugszeichen 13 bezeichnet die innere Oberfläche der Linse 11, die ein Paraboloid ist und nach der folgenden Gleichung berechnet werden kann:
Hierbei ist y2 die Ordinate des Paraboloids, x die Abszisse des Parabo­ loids, r der Radius des Innendurchmessers der Linse 11 und b2 die Höhe der Linse.
Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Positionierungsvertiefung in der Linse 11, die in dem Scheitel der Paraboloid-Oberfläche 13 angeordnet ist. Der Brennpunkt F1 der Paraboloid-Oberfläche 12 und der Brennpunkt F2 der Para­ boloid-Oberfläche 13 fallen hier in Punkt 15 zusammen. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Position zum Anbringen bzw. Montieren einer Lichtquelle einer Glühlampe, Halogenlampe oder Bogenlampe. Das Bezugszeichen 17 stellt schematisch die Pfade der Infrarotstrahlen dar, die aus theoretischen Berech­ nungen und Experimenten erhalten werden. Das Bezugszeichen 18 zeigt schematisch die Pfade von sichtbarem Licht, das durch die Linse 11 austritt. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Stütze bzw. Halterung, die durch Schweißen mit einem Metallsockel verbunden ist, wobei der Sockel auf den Glasreflektor geschweißt ist. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine zentrale Positionierungshalterung, die dicht anliegend in der Positionierungsvertiefung 14 befestigt ist. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet die Position, an der die Linse 11 und der Reflektor 10 zusammengeschweißt oder miteinander verbun­ den sind. Der Glühdraht oder die Bogenentladungsröhre 22 sind bezüglich der Achse, die die Scheitelpunkte der Paraboloid-Oberflächen 12 und 13 verbindet ausgerichtet. Der Lampensockel 23 kann in verschiedenen Größen oder Typen hergestellt sein, je nach dem, wie es erforderlich ist.
Auf den Paraboloid-Oberflächen 12 und 13 des Reflektors 10 und der Linse 11 ist ein im Infraroten reflektierender Film bzw. eine im Infraroten reflek­ tierende Schicht vorgesehen, der bzw. die sich aus TiO2-SiO2 oder Ta2O5- SiO2 zusammensetzt. Alternativ dazu kann der Film bzw. die Schicht auf dem Reflektor 10 aus Aluminium hergestellt sein.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse, die von dem Institut Electro-light Source Institute of Fudan University erhalten worden sind. Das Experiment wurde mit Natrium-Hochdrucklampen (H PS) in der Ausführung mit zwei Endabschnitten und mit im Infraroten reflektierenden Filmen durchgeführt, die die erfindungs­ gemäße Ausgestaltung bzw. Konfiguration verwenden, wobei sie einen Kolben in der Form eines Doppelparaboloiden und eine lineare Bogenentladungsröhre aufweisen. Die Lampen in der Referenzgruppe haben die gleiche Struktur, außer, daß sie keinen im Infraroten reflektierenden Film auf ihren Kolben auf­ weisen.
Tabelle 1
Anhand der in Tabelle 1 dargestellten Daten kann gefolgert werden, daß die Lichtausbeute von HPS-Lampen in der Ausführung mit zwei Endabschnitten und mit einem im Infraroten reflektierendem Film um ungefähr 15% durch die Unterstützung der Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert worden sind. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, daß unter Verwen­ dung der Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung die Lichtausbeute der Glühlampen und Halogenlampen in der Ausführung mit zwei Endabschnit­ ten und mit im Infraroten reflektierenden Filmen auf ungefähr 50% verbessert werden konnte. Insbesondere durch Aufbringen eines im Infraroten reflektie­ renden Films auf der inneren Oberfläche des Kolbens und durch Beabstanden des Films von der Bogenentladungsröhre um einem gewissen Abstand, wäh­ rend die Temperatur des Kolbens derart geregelt wird, daß sie unterhalb von 500°C liegt, um Schaden an dem Film zu vermeiden, bringt die vorliegende Er­ findung beträchtliche Verbesserungen für Natrium-Hochdrucklampen und Na­ trium-Niederdrucklampen, für Metall-Halogenid-Lampen, Xenonlampen, usw. . Die Lampen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herge­ stellt worden sind, finden verschiedene Anwendungen sowohl drinnen wie draußen. Sie können derart hergestellt werden, daß sie eine beliebige Größe, Leistung und Betriebsspannung aufweisen, und sie können nahezu kaltes Licht emittieren.
Im folgenden wird ein Beispiel für eine Halogenlampe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt.
1. Auslegung und Berechnung der Paraboloid-Oberfläche des Reflektors
Der Reflektor wird aus Hartglas mittels Formens hergestellt. Die innere Oberfläche des Reflektors weist die Form eines Paraboloids auf, wobei ein Aluminiumfilm darauf aufgebracht ist. Es wird angenommen, daß die Halogen­ lampe einen für 120 V und 100 W ausgelegten Glühdraht (d. h. einen Wolfram- Glühdraht) aufweist, dessen Länge 14 mm beträgt. Wie oben bereits erwähnt worden ist, sollte die Brennweite des Reflektors gleich der Länge des Glüh­ drahts sein, oder ein wenig länger. Somit erhält man die Brennweite der Para­ boloid-Oberfläche des Reflektors zu 14 mm + 2 mm = 16 mm. Es wird ange­ nommen, daß der Innendurchmesser des Reflektors 100 mm beträgt. Unter Verwendung der folgenden Gleichung ergibt sich:
Hierbei ist f1 die Brennweite der Paraboloid-Oberfläche des Reflektors, r der Radius des Innendurchmessers des Reflektors, mit r = 50 mm, und ist b1 die Höhe des Paraboloids des Reflektors. Aus dem vorstehenden ergibt sich,
Somit erhält man unter Verwendung der Paraboloid-Gleichung:
Es ist bekannt, daß der Glühdraht der Halogenlampe zwei Endabschnitte aufweist, von denen einer im Brennpunkt der Paraboloid-Oberfläche des Re­ flektors (Punkt 15 in Fig. 1) anbeordnet ist, und der andere in der Nähe des Scheitels des Reflektors auf der Achse angeordnet ist.
2. Auslegung und Berechnung der Paraboloid-Oberfläche der Linse
Die Linse (Abdeckung) wird aus Hartglas mittels Formens hergestellt. Die innere Oberfläche der Linse weist eine Form eines Paraboloids auf, wobei ein im Infraroten reflektierender Film, der sich aus TiO2-SiO2 zusammensetzt, darauf aufgebracht wird. Es ist bekannt, daß der Innendurchmesser der Linse gleich dem des Reflektors ist, d. h., 100 mm. Es wird angenommen, daß die Höhe der Paraboloid-Oberfläche der Linse b2 = 16 mm (die Brennweite der Pa­ raboloid-Oberfläche des Reflektors) ist. Aus der folgenden Gleichung erhält man:
Hierbei ist f2 die Brennweite der Linse, b2 die Höhe der Paraboloid-Ober­ fläche und ist r der Radius des Innendurchmessers der Linse, so daß sich er­ gibt
Anhand der Gleichung für die Paraboloid-Oberfläche der Linse erhält man
Die gesamte Höhe der inneren Oberfläche des Kolbens ergibt sich zu B = b2 + b1 = 16 + 39,0625 = 55,0625 mm. Es sei bemerkt daß sich ergibt: B-f1 = 55,0625 - 16 = 39,0625 mm = f2 (Brennweite der Linse), was bedeutet, daß der Brennpunkt der Linse mit dem Brennpunkt des Reflektors zusammen­ fällt, wenn diese zusammengeschweißt oder miteinander verbunden sind. Eine Positionierungsvertiefung ist in dem Scheitel der Linse mittels eines Formver­ fahrens angeordnet. Die Positionierungsvertiefung dient auch dazu, den Glüh­ draht zu befestigen. Ein Endabschnitt des Anschlußdrahts des Glühdrahts ist in der Positionierungsvertiefung derart angebracht, um den Glühdraht zu befesti­ gen, so daß der Glühdraht bezüglich der Achse, die die Scheitel der Linse und des Reflektors verbindet, ausgerichtet ist.
Andere Glühlampen oder Bogenlampen sind in der gleichen Weise aus­ gelegt. Ein Endabschnitt des Glühdrahts oder eine Elektrode der Bogenentla­ dungsröhre ist in dem Brennpunkt des Reflektors angeordnet und der andere Endabschnitt oder die andere Elektrode ist in der Nähe des Scheitels des Re­ flektors (auf der Achse) angeordnet.
Offenbart ist eine Energiesparlampe, mit einem Sockel und einem Kolben, wobei sich der Kolben aus einer Linse 11 und einem Reflektor 10 zusammen­ setzt. Die innere Oberfläche des Reflektors ist ein Paraboloid 12 und ist mit einem im Infraroten reflektierenden Film beschichtet. Die innere Oberfläche der Linse ist ebenso ein Paraboloid 13 und ist mit einem Film aus Aluminium oder Silber oder einem im Infrarotem reflektierendem Film beschichtet. Der Reflexi­ onsbrennpunkt des Paraboloids 12 fällt mit demjenigen des Paraboloids 13 zu­ sammen. Ein linearer Glühdraht oder eine Bogenentladungsröhre 22 sind be­ züglich der Achse, die die Scheitel des Reflektors und der Linse verbindet, an­ geordnet, wobei deren einer Endabschnitt in dem Brennpunkt des Reflektors und der andere Endabschnitt in dem oder in der Nähe des Scheitels des Re­ flektors angeordnet ist.

Claims (6)

1 Energiesparlampe, die aufweist:
einen Sockel;
einen Kolben, wobei der Sockel mit dem Kolben in Eingriff steht, und wobei sich der Kolben aus einer Linse und einem Reflektor, die in geeigneter Weise einen linearen Glühdraht oder eine lineare Bogenentladungsröhre um­ gebend miteinander verbunden sind, zusammensetzt, dadurch gekennzeich­ net, daß die Linse und der Reflektor jeweils eine innere Paraboloid-Oberflä­ che aufweisen, wobei ein im Infraroten reflektierender Film auf den inneren Oberflächen aufgebracht ist, und wobei der Glühdraht oder die Bogenentla­ dungsröhre bezüglich einer Achse, die die Scheitel der Linse und des Reflek­ tors verbindet, ausgerichtet sind, und wobei der Reflexionsbrennpunkt der Linse mit dem des Reflektors zusammenfällt oder sich auf der Achse in etwas geringerem Abstand zu dem Scheitel des Reflektors als der Reflexionsbrenn­ punkt des Reflektors befindet und der Glühdraht oder die Bogenentladungsröh­ re zwischen dem Reflexionsbrennpunkt des Reflektors und dem Scheitel des Reflektors angeordnet sind,
2. Energiesparlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film, der auf der Linse und dem Reflektor aufgebracht ist, sich aus einer Viel­ zahl von TiO2-Filmen und SiO2-Filmen oder einer Vielzahl von Ta2O5-Filmen und SiO2-Filmen zusammensetzt.
3. Energiesparlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film, der auf dem Reflektor aufgebracht ist, sich aus Aluminium oder Silber zu­ sammensetzt.
4. Energiesparlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Lampe in der Ausführung mit zwei Endabschnitten ist, die aus der Gruppe aus Glühlampen, Halogenlampen, Natrium-Hochdrucklampen oder Natrium-Niederdrucklampen, Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen u. a. ausgewählt worden ist.
5. Energiesparlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Lampe in der Ausführung mit einem Endabschnitt ist, die aus der Gruppe aus Glühlampen, Halogenlampen, Natrium-Hochdrucklampen oder Natrium-Niederdrucklampen, Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen u. a. ausgewählt worden ist.
6. Energiesparlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe ferner eine Positionierungsvertiefung in dem Scheitel der Linse auf­ weist, in der ein Anschluß von einem Endabschnitt des Glühdrahts oder der Bogenentladungsröhre derart angebracht ist, um den Glühdraht oder die Bo­ genentladungsröhre zu befestigen, so daß diese die Ausrichtung bezüglich der Achse beibehalten.
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