DE19844519C2 - Elektrische Glühlampe mit IR-Reflexionsschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Glühlampe, insbesondere ei­ ner Halogenglühlampe, mit IR-Reflexionsschicht.

Es handelt sich dabei insbesondere um eine Glühlampe mit einem flachen Leuchtkörper, z. B. einer sogenannten Flachkernwendel. Der Querschnitt von Flachkernwendeln hat nicht wie die Glühwendel von Glühlampen für die Allgemeinbeleuchtung einen kreisförmigen Querschnitt, sondern vielmehr einen länglichen Querschnitt. Der Grund hierfür liegt an der Anpassung der Geometrie der Wendelform an die für das jeweilige Haupteinsatzgebiet be­ vorzugte Abstrahlcharakteristik der Lampe bzw. der Glühwendel. Im Unter­ schied zur rotationssymmetrischen Abstrahlcharakteristik konventioneller Glühlampen ermöglicht der flache Leuchtkörper der eingangs erwähnten Lampentypen eine betont flächige Abstrahlung, wie sie unter anderem für technisch-wissenschaftliche Beleuchtungszwecke sowie in der Fotooptik, insbesondere für Projektionszwecke, gewünscht wird. Typische elektrische Leistungswerte liegen im Bereich von ca. 50 bis 400 Watt.

Die auf der Innen- und/oder Außenfläche des Lampenkolbens aufgebrachte IR-Strahlung reflektierende Beschichtung - im folgenden verkürzend als IR- Schicht bezeichnet - bewirkt, daß ein Großteil der vom Leuchtkörper abge­ strahlten IR-Strahlungsleistung auf ihn zurück reflektiert wird. Die dadurch erzielte Erhöhung des Lampenwirkungsgrades läßt sich einerseits bei kon­ stanter elektrischer Leistungsaufnahme für eine Temperaturerhöhung des Leuchtkörpers und folglich eine Steigerung des Lichtstromes nutzen. Ande­ rerseits läßt sich ein vorgegebener Lichtstrom mit geringerer elektrischer Lei­ stungsaufnahme erzielen - ein vorteilhafter "Energiespareffekt". Ein weiterer wünschenswerter Effekt ist, daß aufgrund der IR-Schicht deutlich weniger IR-Strahlungsleistung durch den Lampenkolben hindurch abgestrahlt und damit die Umgebung, z. B. eine optische Projektionsvorrichtung, weniger erwärmt wird, als bei herkömmlichen Glühlampen.

Wegen der unvermeidlichen Absorptionsverluste in der IR-Schicht nimmt die Leistungsdichte der IR-Strahlungsanteile innerhalb des Lampenkolbens mit der Anzahl der Reflexionen ab und folglich auch der Wirkungsgrad der Glühlampe. Entscheidend für die tatsächlich erzielbare Steigerung des Wir­ kungsgrades ist es deshalb, die für eine Rückführung der einzelnen IR- Strahlen auf den Leuchtkörper erforderliche Anzahl von Reflexionen zu mi­ nimieren. Zu diesem Zweck ist die Form des mit der IR-Schicht versehenen Lampenkolbens auf die Form des Leuchtkörpers speziell abgestimmt.

In der EP 0 470 496 A2 ist eine Lampe mit kugelförmigem Kolben offenbart, in dessen Zentrum ein zylindrischer Leuchtkörper angeordnet ist. Diese Schrift lehrt, daß die Einbuße an Effizienz durch die Abweichung des Leuchtkörpers von der idealen Kugelform unter folgenden Voraussetzungen auf ein akzep­ tables Maß begrenzt werden kann. Entweder müssen Kolbendurchmesser und Leuchtkörperdurchmesser bzw. -länge innerhalb eines Toleranzbereichs sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, oder aber der Durchmesser des Leuchtkörpers muß deutlich kleiner sein (kleiner Faktor 0,05) als der des Lampenkolbens. Außerdem ist eine Lampe mit rotationsellipsoidem Kolben angegeben, in dessen Brennlinie ein länglicher Leuchtkörper axial angeord­ net ist.

Die Schrift DE 30 35 068 A1 beschreibt eine Glühlampe mit Infrarotreflexi­ onsschicht, bei der zwecks Erhöhung der Betriebstemperatur des Glühfadens und Sicherstellung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung des Glühfa­ dens anstelle eines im wesentlichen kugelförmigen Lampenkolbens ein el­ lipsoider verwendet wird.

Die Schrift CH 470 081 offenbart eine Glühlampe, deren Lampenkolben be­ züglich der in der Leuchtebene des Glühfadens liegenden Achsen keine Ro­ tationssymmetrie aufweist. Der Lampenkolben ist mit Ausnahme eines abge­ flachten Lichtaustrittsfensters mit einer Spiegelschicht versehen.

In der Schrift DE-AS 11 30 069 ist eine Glühlampe offenbart, die zu der in der Schrift CH 470 081 beschrieben Glühlampe vergleichbar ist. Der der Lichtaus­ trittsseite gegenüberliegende Teil des Lampengefäßes ist flacher ausgebildet und umschließt einen kleineren Raum als jener auf der Lichtaustrittsseite.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühlampe mit flachem Leuchtkörper anzugeben, die sich durch eine effiziente Rückführung der emittierten IR-Strahlung auf den Leuchtkörper und folglich einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Ein weiterer Aspekt ist die Verteilung der rück­ geführten IR-Strahlung auf dem Leuchtkörper. Außerdem sollen kompakte Lampenabmessungen bei hohen Leuchtdichten ermöglicht werden, wie dies insbesondere für Niedervolt-Halogenglühlampen angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung schlägt vor, den Lampenkolben gezielt so zu formen, daß der Lampenkolben bezüglich in der Leuchtebene des flachen Leuchtkörpers lie­ genden Achsen keine Rotationssymmetrie aufweist, sondern daß der Lam­ penkolben vielmehr eine von der Rotationssymmetrie abweichende, auf die flache Geometrie des Leuchtkörpers abgestimmte, d. h. abgeflachte Form aufweist. Gegebenenfalls ist zusätzlich die Form der Grundfläche des flachen Leuchtkörpers auf die von der reflektierten IR-Strahlung tatsächlich bestrahl­ te Fläche des Leuchtkörpers abzustimmen.

Insbesondere schlägt die Erfindung vor, daß die Form des Lampenkolbens im wesentlichen einem Ellipsoiden mit drei Halbachsen entspricht, von de­ nen mindestens zwei unterschiedlich lang sind und wobei der Leuchtkörper innerhalb des Lampenkolbens derart angeordnet ist, daß die kürzeste der drei Halbachsen dieses Ellipsoiden senkrecht zur Leuchtebene des Leucht­ körpers orientiert ist. Auf diese Weise erhält der Lampenkolben mit Blick­ richtung in der Leuchtebene betrachtet die angestrebte flache Form.

Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgedankens wird im folgenden Be­ zug auf die Fig. 1a-1c genommen. Sie zeigen eine schematische Darstel­ lung der prinzipiellen Zusammenhänge und führen einige für das weitere Verständnis der Erfindung wesentliche Größen ein.

Gezeigt sind unter anderem drei Schnitte durch ein Ellipsoid 1 mit den drei Halbachsen a, b bzw. c. Die Schnitte entsprechen den Blickrichtungen in den drei kartesischen Raumachsen x, y und z, die zudem kollinear mit den drei Halbachsen a, b bzw. c gewählt sind. Die Halbachse c ist kürzer als die übri­ gen zwei Halbachsen a bzw. b. Innerhalb des Ellipsoiden 1 ist ein stilisierter flacher Leuchtkörper 2 mit zwei zueinander parallelen rechteckigen Grund­ flächen 3 bzw. 3' zentriert angeordnet. Diese beiden Grundflächen 3 bzw. 3' entsprechen bei einem realen flachen Leuchtkörper denjenigen beiden Leuchtflächen, die im wesentlichen den Lichtstrom der Lampe erzeugen.

Der Einfachheit wegen wird im folgenden auf eine fiktive Leuchtebene Be­ zug genommen, welche als parallel und mittig zwischen den beiden Grund­ flächen 3, 3' verlaufend definiert ist.

Der Leuchtkörper 2 ist nun derart innerhalb des Ellipsoiden 1 orientiert, daß seine fiktive Leuchtebene senkrecht zur Halbachse c steht. Demnach verlau­ fen die Halbachsen a und b in der Leuchtebene und folglich parallel zu den beiden Grundflächen 3, 3' des Leuchtkörpers 2.

Die konkreten Werte für die drei Halbachsen sind im Einzelfall auf die Ge­ stalt und die Abmessungen des Leuchtkörpers derart gezielt abzustimmen, daß eine möglichst effiziente Rückführung der emittierten IR-Strahlung auf den Leuchtkörper erreicht wird. Im Hinblick auf eine hohe Lebensdauer der Lampe kann die Gewichtung der Abstimmungskriterien für die drei Halb­ achsen auch mehr in Richtung einer möglichst gleichförmigen Verteilung der rückgeführten IR-Strahlung auf dem Leuchtkörper verschoben werden. Insbesondere lokale IR-Strahlungsleistungsmaxima, sogenannte "Hot Spots", sind einer langen Lebensdauer des Leuchtkörpers in der Regel abträglich und sollten deshalb vermieden werden.

Eine Verbesserung der Gleichförmigkeit der Verteilung kann auch durch eine gezielte Anpassung der äußeren Form des Leuchtkörpers an die Form des Rückstrahlungsflecks auf dem Leuchtkörper erzielt werden. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, daß, im Falle der maximalen Rückführung der emittierten IR-Strahlung, der Rückstrahlungsfleck im wesentlichen oval ist. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein, für den Leuchtkörper ebenfalls eine ovale Form zu wählen und außerdem seine äußeren Abmessungen an jene des Rückstrahlungsflecks weitgehend anzupassen.

Bei rotationssymmetrischen Leuchtkörpern, d. h. Leuchtkörpern mit einer kreisförmigen Grundfläche und bei Leuchtkörpern, die zumindest in grober Näherung als kreisförmig betrachtet werden können, z. B. Leuchtkörper mit quadratischer Grundfläche, kann es vorteilhaft sein, die Halbachsen a und b des Ellipsoiden gleich lang zu wählen.

Die gezielte Abstimmung der drei Ellipsenhalbachsen auf den Leuchtkörper kann mit sogenannten Ray-Tracing-Verfahren unterstützt werden. Dabei werden von der Flachkernwendel ausgehende Lichtstrahlen verfolgt und die Ellipsenhalbachsen bestimmt derart, daß eine maximale Effizienz der Rück­ führung oder aber eine optimale Gleichmäßigkeit der Verteilung der rückge­ führten Lichtstrahlen auf die Wendel oder ein wie auch immer gearteter Kompromiß erzielt wird.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung des Prinzips der Erfindung anhand eines Ellipsoiden und eines rechteckförmigen flachen Leuchtkör­ pers mit Blick in die z-Richtung,

Fig. 1b eine schematische Darstellung des Ellipsoiden mit Leuchtkörper aus Fig. 1a mit Blick in die x-Richtung,

Fig. 1c wie Fig. 1b, aber mit Blick in die y-Richtung,

Fig. 2 eine NV-Halogenglühlampe mit IR-Schicht und einer Flachkern­ wendel sowie einer erfindungsgemäßen Kolbenform,

Fig. 3a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht der Flachkern­ wendel aus Fig. 2,

Fig. 3b eine Schnittdarstellung der Flachkernwendel aus Fig. 3a entlang der Linie AA.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lampe 4 schematisch dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Halogenglühlampe mit einer Nennspannung von 24 V und einer Nennleistung von 250 W bzw. in einer Variante für 150 W. Die nachfolgenden Werteangaben beziehen sich, falls nicht anders vermerkt, auf beide Leistungstypen. Bei für beide Typen abweichenden Werten ist zuerst der Wert für den 250 W-Lampentyp und dahinter in Klammern eingeschlossen der entsprechende Wert für den 150 W-Lampentyp angegeben.

Die Lampe weist einen einseitig gequetschten Lampenkolben 5 auf, der an seinem ersten Ende in einen Hals 6 übergeht, der in einer Quetschdichtung 7 endet. An seinem gegenüberliegenden Ende weist der Lampenkolben 5 eine Pumpspitze 8 auf. Die Position der Pumpspitze 8 und der Quetschdichtung 7 definieren eine Längsachse LA der Lampe 4.

Auf der Außenfläche des Lampenkolbens 5 ist eine IR-Schicht 9 aufgetragen, bestehend aus einem Interferenzfilter mit mehr als 20 Schichten TiO₂ und SiO₂. Anstelle von TiO₂ ist auch Ta₂O₅ geeignet. Die IR-Schicht überdeckt außerdem noch zusätzlich ca. die Hälfte der Quetschdichtung 7. Auf diese Weise wird zum einen eine besonders maßhaltige Form der IR-Schicht 9 er­ zielt, da bei der Herstellung des Lampenkolbens 5 dessen Außenfläche die berechnete Kontur des Ellipsoids aufgeprägt wird. Zum anderen sind durch die Ausdehnung der IR-Schicht 9 auf einen Teil der Quetschdichtung 7 die einzelnen Schichten im Bereich der Kolbenoberfläche besonders gleichmäßig. Dadurch werden Farbfehler reduziert.

Die Länge des Lampenhalses 6 beträgt ca. 2 mm bei einer maximalen Breite von ca. 9,6 mm. Der Lampenkolben 5 ist aus Quarzglas mit einer Wanddicke von ca. 1 mm gefertigt.

Mit Ausnahme der Quetschdichtung 7 und der Pumpspitze 8 ist der Lam­ penkolben 5 als Ellipsoid geformt. Die jeweilige Länge der drei Halbachsen a, b und c dieses Ellipsoids betragen 8,4 mm, 9 mm bzw. 8 mm (8,2 mm, 8,5 mm bzw. 8 mm) für maximale Effizienz sowie 9 mm, 9,6 mm und 8 mm für opti­ male Gleichmäßigkeit der Strahlungsrückführung beim 250 W-Lampentyp.

Innerhalb des Lampenkolbens 5 ist ein Leuchtkörper 10 zentrisch ange­ ordnet. Der Leuchtkörper 10 besteht aus einer einfachen Flachkernwendel (hier nur schematisch dargestellt, siehe aber Fig. 3a und 3b). Die Wen­ delachse ist senkrecht zur Längsachse LA der Lampe 9 orientiert und ver­ läuft in der durch die Halbachsen a und b des Ellipsoiden aufgespannten Ebene. Für weitere Details zur Flachkernwendel 10 wird auf die Fig. 3a und 3b sowie die zugehörige Figurenbeschreibung verwiesen.

Die Stromzuführungen 11a, b sind direkt durch den Wendeldraht gebildet und mit Molybdän-Folien 12a, b in der Quetschdichtung 7 verbunden. Die Molybdän-Folien 12a, b sind ihrerseits mit äußeren Sockelstiften 13a, b ver­ bunden.

Im Inneren des Lampenkolbens 5 befindet sich eine Füllung aus ca. 3990 hPa Xenon (Xe) Stickstoff (N) Gemisch im Verhältnis Xe : N = 88 : 12 mit einer Bei­ mengung von 0,7% (0,4%) Bromwasserstoff (HBr).

Die Lampe 4 hat eine Farbtemperatur von ca. 3400 K. Der Lichtstrom beträgt 12230 lm (6750 lm) bei einer Leistungsaufnahme von 265 W (158 W), ent­ sprechend einer Lichtausbeute von ca. 46 lm/W (42,7 lm/W). Bei einer ver­ gleichbaren herkömmlichen Lampe wird bei der selben elektrischen Lei­ stungsaufnahme nur ein Lichtstrom von 9150 lm (5050 lm) erzielt, ent­ sprechend einer Lichtausbeute von ca. 34,4 lm/W (32 lm/W). Folglich kann im Vergleich dazu mit der erfindungsgemäßen Lampe ein Effizienzzuwachs von bis zu 34% (33,7%) erreicht werden.

Die Fig. 3a und 3b zeigen die Flachkernwendel 10 aus Fig. 2 in einer Seitenansicht bzw. in einem Schnitt längs der Linie AA. Die Flachkernwen­ del 10 ist aus einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von ca. 292 µm und insgesamt 17 Windungen (20 Windungen) gewickelt. Die Länge L der Wendel 10 in Richtung der Wendelachse WA beträgt ca. 7,4 mm (6,9 mm). Die Höhe H und Breite B betragen ca. 4 mm (3,26 mm) bzw. 1,4 mm (1,15 mm). In der Schnittdarstellung in Fig. 3b ist eine in der Schnittebene im wesentlichen länglich ovale Windung 14 der Flachkernwendel 10 sowie der Anschnitt 15 zu erkennen.

In einer Variante (nicht dargestellt) ist die Flachkernwendel der Lampe aus Fig. 2 derart geformt, daß die Seitenansicht der Flachkernwendel eine ova­ le, der Form des IR-Rückstrahlungsflecks angepaßten Kontur aufweist. Zu diesem Zweck ist die jeweilige Höhe H der einzelnen Windungen an einem ersten Ende der Wendel klein, wächst dann in der Mitte der Wendel auf ihre maximale Höhe (im Beispiel der Lampe aus Fig. 2 auf ca. 4 mm beim 250 W Typ) an und nimmt zum anderen Ende der Wendel wieder ab.

Die folgenden Tabellen 1, 2 und 3 geben mit Hilfe eines Ray-Tracing- Programms als geeignet gefundenen Ellipsenhalbachsen a, b, c für drei Lei­ stungstypen, nämlich 150 W, 250 W und 400 W an. Dabei wurde jeweils die Ellipsenhalbachse c vorgegeben und die beiden anderen Ellipsenhalbachsen a, b bestimmt. In der Praxis ist der maximale Wert für die Halbachse c oft­ mals, je nach Einsatzbereich, vorgegeben, beispielsweise in Projektoren durch die vorgesehene Einbautiefe. Die Wandstärke wurde mit 0,8 mm als konstant angenommen. Die für den jeweiligen Leistungstyp vorgesehenen Abmessungen der Flachkernwendel in der von den Ellipsenhalbachsen a, b aufgespannten Ebene sind ebenfalls angegeben.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Nach den in obigen Tabellen dargestellten Ergebnissen und dem gegenwär­ tigen Stand der Erkenntnisse in Bezug auf möglichst kompakte Kolbenfor­ men sowie auf die Abstimmungsmöglichkeiten im Hinblick auf maximale Effizienz oder optimale Gleichförmigkeit haben sich folgende Verhältnisse der drei Halbachsen a, b, c eines den Lampenkolben im wesentlichen for­ menden Ellipsoiden als vorteilhaft herausgestellt:

wobei die beiden Halbachsen a, b in der Ebene der Flachkernwendel und die Halbachse c senkrecht auf der Leuchtebene der Flachkernwendel steht.

Claims (9)

1. Elektrische Glühlampe, insbesondere Halogenglühlampe (4), mit einem Lampenkolben (5), der eine IR-Strahlung reflektierende Schicht (9) auf­ weist und einem eine fiktive Leuchtebene definierenden flachen Leuchtkörper (10), der innerhalb des Lampenkolbens (5) angeordnet und mittels zweier Stromzuführungen (11a, 11b) gehaltert ist, wobei die beiden Stromzuführungen (11a, 11b) gasdicht nach außen geführt sind, und wobei die Form des Lampenkolbens (5) bezüglich der in der Leuchtebene liegenden Achsen keine Rotationssymmetrie aufweist, sondern der Lampenkolben (5) vielmehr eine von der Rotationssymme­ trie abweichende, auf die flache Geometrie des Leuchtkörpers (10) ab­ gestimmte, d. h. abgeflachte Form aufweist.

2. Glühlampe nach Anspruch 1, wobei die Form des Lampenkolbens (5) im wesentlichen einem Ellipsoiden (1) mit drei Halbachsen (a, b, c) ent­ spricht, von denen mindestens zwei unterschiedlich lang sind und wo­ bei der Leuchtkörper (2; 10) innerhalb des Lampenkolbens (5) derart angeordnet ist, daß die kürzeste (c) der drei Halbachsen dieses Ellipsoi­ den (1) senkrecht zur fiktiven Leuchtebene des Leuchtkörpers (2; 10) orientiert ist.

3. Glühlampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei für das Verhältnisse der Halbachsen a, c folgender Wertbereich gilt:

4. Glühlampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei für das Verhältnisse der Halbachsen b, c folgender Wertbereich gilt:

5. Glühlampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leuchtkörper (10) eine Flachkernwendel ist.

6. Glühlampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Umriß des Leuchtkörpers (10) parallel zur fiktiven Leuchtebene eine rechtec­ kige Form aufweist.

7. Glühlampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Umriß des Leuchtkörpers parallel zur fiktiven Leuchtebene eine ovale Form aufweist.

8. Glühlampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Umriß des Leuchtkörpers parallel zur fiktiven Leuchtebene eine kreisförmige oder zumindest in grober Näherung kreisförmige Form aufweist, insbe­ sondere auch die Form eines Quadrats oder regelmäßigen Vielecks.

9. Glühlampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lampenkolben (5) mindestens an einem Ende ei­ nen Lampenhals (6) aufweist, der mindestens eine Stromzufüh­ rung (11a, 11b) möglichst eng umgibt und dessen kolbenfernes Ende (8) gasdicht verschlössen ist