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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe mit IRC-Beschichtung
auf dem Kolben. Es handelt sich dabei insbesondere um Niedervoltlampen
(NV-Lampen) die mit einer Spannung von höchstens 48 V,
bevorzugt von 6 bis 18 V, betrieben werden.
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Stand der Technik
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Die
EP-A 765 528 beschreibt
eine Halogenglühlampe mit IRC-Technologie. Die dort diskutierte
2 zeigt
eine Lampe in NV,
4 eine Lampe in HV. Dort wird
ein ellipsoidaler Tonnenkörper als Kolben verwendet, der
mit IRC beschichtet ist.
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Eine
Lampe in HV-Technologie, basierend auf einem NV-Brenner und zugeordnetem
Trafo, ist aus
DE 83
29 164 U bekannt.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halogenglühlampe
mit IRC-Beschichtung anzugeben, die sich durch möglichst
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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Erfindungsgemäß zeichnet
sich die Halogenglühlampe durch die Kombination zweier
Merkmale aus: die speziell entwickelte Wendel hat eine Länge L
und einen Durchmesser D, wobei gilt dass L:D = 6 ist. insbesondere
soll L:D im Bereich 9 bis 11 liegen. Der Kolben weist im Längsschnitt
eine elliptische Kontur auf, wobei es entscheidend auf die Exzentrizität
der gewählten Ellipse ankommt. Erfindungsgemäß soll
die Exzentrizität e = 0,5 bis 0,7 gewählt werden.
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Halogenglühlampen
mit infrarot-reflektierender Kolbenbeschichtung (IRC-Lampen) in
Nieder- und Mittelvoltausführung bis 140 V Spannung sind bereits
bekannt. Maßnahmen zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades
konzentrierten sich bisher auf die Optimierung der Schichtsysteme.
Im folgenden aber soll gezeigt werden, dass, im Gegensatz zur Situation
bei herkömmlichen Lampen, die lichttechnischen Eigenschaften
einer IRC-beschichteten Lampe ganz erheblich von Details der Gestaltung
und auch von der absoluten Größe des Lampenkolbens
abhängen.
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Jede
Halogenlampe mit Ellipsoidkolben benötigt eine Zuleitung
von der Wendel zur Quetschung. Außerdem ist aber ein Hals
in der Nähe der Quetschung, insbesondere realisiert als
Einrollung am Übergang in die Quetschung, und bisher außerdem
eine Pumpspitze nötig.
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Beide
Elemente stören die Transmission des Nutz-Lichtstroms und
reduzieren den Anteil der Kolbenoberfläche, welcher zu
einer Rückstrahlung auf die Wendel mittels der IRC-Schicht
zur Verfügung steht. Da die beiden Elemente einen erheblichen
Teil der Kolbenoberfläche ausmachen, handelt es sich um
eine wesentliche Störung.
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In
den gestörten Bereichen nahe des Halses und der Pumpspitze
ist die Transmission eingeschränkt, weil das Licht z. B.
durch die Pumpspitze oder auf dem Umweg über die Quetschung
abgestrahlt wird oder infolge einer Fehlfunktion der IRC-Schicht
absorbiert oder in den Kolben zurückreflektiert wird. Eine
nennenswerte IR-Reflexion zurück auf die Wendel ist in
diesen Bereichen unmöglich.
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Ein
weiterer unerwünschter Effekt der Kolbenform sind die häufig
bei den beschichteten Lampen erkennbaren Farbsäume. Im
Idealfall sollte eine IRC-Schicht für das Auge unsichtbar
sein. Wenn Farbsäume deutlich auftreten, bedeutet dies
eine lichtabsorbierende und damit effizienzverringernde Fehlfunktion
der Schicht in diesem Bereich.
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Diese
Fehlfunktion tritt verstärkt im Bereich einer starken Krümmung
des Kolbens auf, weil sich hier durch den großen Winkel
zwischen der Richtung, von der aus die Beschichtung auf die Kolben-Oberfläche
aufgebracht worden ist, die gewünschte Dicke der aufgebrachten
IRC-Schichten nicht ausreichende genau kontrollieren lässt.
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Zu
den genannten Effekten kommt hinzu, dass es im Bereich von Pumpspitze
und Kolbenhals verstärkt zu herstellungsbedingten Störungen
der Kolben-Oberfläche kommt. Dadurch wird das Aufbringen
der IRC-Schichten zusätzlich erschwert und die Funktionsweise
der IRC-Schichten zusätzlich beeinträchtigt.
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Im
Bereich der Pumpspitze ist das Problem vor allem in Quarzrauch zu
sehen, der beim Abschmelzen der Pumpspitze entsteht. Dieser wird zwar
vor dem Aufbringen der IRC-Beschichtung, beispielsweise durch Polieren,
entfernt. Es verbleibt aber als Konsequenz eine gewisse Rauhigkeit
der Oberfläche in diesem Bereich.
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Im
Bereich des Kolbenhalses entstehen häufig feine Rillen
durch den Einrollprozess bei der Herstellung des Halses. Die von
Pumpspitze und Einrollung verursachte Störung der Funktionsweise
der IRC-Schichten bezieht sich insgesamt auf eine weit größere
Fläche als die beiden Elemente Hals und Pumpspitze selbst
einnehmen.
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Eine
Abschätzung des bezogen auf den Mittelpunkt des Kolbens
sich ergebenden ungestörten Bereichs, als Raumwinkel ausgedrückt,
zeigt, dass bei NV-Lampen mit sehr kleinen und nahezu kugelförmigen
Kolben nur etwa 70% und bei MV-Lampen mit relativ kleinen Ellipsoidkolben
nur etwa 80% des vollen Raumwinkels von 4 p Steradian für
eine ungestörte Lichttransmission und Rückstrahlung
durch die IRC-Schicht genutzt werden können.
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Beim
Stand der Technik ist in den gestörten Bereichen nahe des
Halses und der Pumpsitze die Transmission eingeschränkt,
weil das Licht z. B. durch die Pumpspitze oder auf dem Umweg über
die Quetschung abgestrahlt wird oder infolge einer Fehlfunktion
der IRC-Schicht absorbiert oder in den Kolben zurückreflektiert
wird. Eine nennenswerte IR-Reflexion zurück auf die Wendel
ist in diesen Bereichen unmöglich.
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Die
Ausdehnung der gestörten Bereiche ist rein durch den Herstellprozess
bedingt und von anderen Abmessungen, z. B. der Länge und
dem Durchmesser des Lampenkolbens, unabhängig. Daher kann
alleine durch bewusst möglichst groß gewählte
geometrische Abmessungen des Kolbens eine be trächtliche
Effizienzerhöhung durch Vergrößerung
der ungestörten Oberfläche erzielt werden.
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Ein
in Abkehr vom Stand der Technik bewusst groß dimensionierter
Lampenkolben hat zusätzlich einen generellen Effizienzvorteil,
weil die Abmessungen etlicher Unregelmäßigkeiten,
beispielsweise von Schlieren, Einschlüssen oder Blasen
im Glas oder von Defekten in der IRC-Schicht nicht von den Abmessungen
des Lampenkolbens abhängen. Ein großer Lampenkolben
bietet daher stets ein günstigeres Verhältnis
aus intakter und gestörter Fläche als ein kleiner
Kolben.
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Ein
groß dimensionierter Lampenkolben hat auch den Vorteil
einer geringen thermischen Belastung der IRC-Schicht, sodass eine
temperaturbedingte Verringerung der Effizienz durch Schichtalterung,
beispielsweise Rissbildung, im Laufe der Lebensdauer verhindert
werden kann.
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Die
Verluste an den durch Pumpspitze und Hals gebildeten beiden Polen
des Lampenkörpers lassen sich zudem durch die Wahl eines
axial angeordneten, möglichst langgestreckten und möglichst dünnen
Leuchtkörpers verringern, weil bei diesem fast nur eine
seitliche Abstrahlung in die ungestörten Kolbenbereiche
stattfindet. Eine kurze Glühwendel mit relativ großem
Durchmesser hat im Gegensatz dazu einen nahezu kugelförmigem
Lichtverteilungskörper, strahlt also gleichermaßen
in die günstigen und ungünstigen Kolbenbereiche
ab.
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Beim
Vergleich der Kolbenkonturen fällt weiterhin auf, dass
eine MV-Lampe und erst recht eine HV-Lampe eine weitaus größer
dimensionierte rückwärtige Öffnung und
somit einen größeren Hals aufweist als eine NV-Lampe.
Dies ist nötig um einen ausreichenden Abstand zwischen
den parallel aus dem Hals herausgeführten Stromzuführungen
zu gewährleisten, so dass die Bildung eines Lichtbogens verhindert
wird. Daraus wird klar, dass eine hinsichtlich Effizienz optimierte
Kolbenform nur bei Verwendung von Niederspannung zur Versorgung
der Lampe möglich ist.
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Die
Verwendung von Niederspannung hat weiterhin den Vorteil, dass sich
wegen der höheren Drahtquerschnitte eine ohne weitere Hilfsmittel
mechanisch stabile Glühwendel mit den gewünschten Abmessungen
realisieren lässt.
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Aus
den obigen Betrachtungen geht hervor, dass ein sehr hoher Wirkungsgrad
und Effizienz bei einer Halogenglühlampe nur erreicht werden
kann, wenn ganz bewusst eine Niedervolttechnologie verwendet wird,
wobei im Gegensatz zum Stand der Technik ein langgestreckter Ellipsoidkolben
und ein länglicher Leuchtkörper verwendet wird.
Dabei soll die Exzentrizität des Kolbens e im Bereich 0,5
bis 0,7 liegen und das Verhältnis aus Länge und
Durchmesser L:D des Leuchtkörpers im Bereich ab 6:1 gewählt werden.
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Die
mögliche Effizienzverbesserung lässt sich allein
schon durch Extrapolation der Daten einer kryptongefüllten
Versuchslampe plausibel machen, die im wesentlichen die gewünschten
Abmessungen von Kolben und Wendel aufweist, aber für eine
Spannung von 120 V ausgelegt ist. Damit konnte bereits eine Lichtausbeute
von 31,9 Lm/W entsprechend 86% Effizienzgewinn bzw. 7% Heißwiderstandszuwachs
der Wendel erreicht werden, wobei die Lebensdauer 1162 h betrug.
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Im
einzelnen lässt sich beispielhaft eine Effizienzsteigerung
wie folgt abschätzen. Es wird ange nommen, dass der Durchmesser
des Kolbenhalses und damit des gestörten Kolbenbereichs
zur Quetschung hin bei einer NV-Lampe (12 V) auf die Hälfte des
Wertes einer 120 V-Lampe verringert werden kann, weil keine Gefahr
der Lichtbogenbildung besteht. Damit ergibt sich ein Freistrahlungsbereich
von 144° im Vergleich zu 121° bei einer 120 V-Lampe. Dies
entspricht einem um 12% größeren Raumwinkel und,
im Falle eines lambertstrahlenden Zylinders als Leuchtkörper,
entspricht dies einem um 7% höheren Gesamt-Strahlungsfluss
[A] durch den ungestörten Kolbenbereich.
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Diese
Verbesserung wirkt sich voll auf die von der IRC-Schicht auf die
Wendel zurückgeworfene Strahlung und damit auf den Heißwiderstandszuwachs
HRG aus, der sich ausgehend von 7% bei der 120 V-Lampe auf HRG =
1.07·7% = 7.5% [B] erhöht.
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Eine
Leistungsaufnahme der Wendel von unbeschichtet beispielsweise 43
W geht damit auf 40 W zurück, nämlich 43 W/1,075
[C].
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Zur
Berechnung des Lichtstroms wird die auf 2000 h umgerechnete Lichtausbeute
der 120 V-Lampe verwendet, d. h. 29,3 Lm/W bei
2000 h = 0,92·31,9 Lm/W bei 1162 h Lebensdauer [D].
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Da
erfahrungsgemäß zwischen vergleichbaren 120 V-
und 12 V-Lampen ein Effizienzvorteil von etwa 6% zugunsten der 12
V-Lampe besteht, ergibt sich ein Wert von 31.1
Lm/W bei 12 V = 1.06·29.3 Lm/W bei 120 V [E].
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Wenn
der störungsfreie Bereich eine um 50% höhere Lichttransmission
als der gestörte Bereich in der Nähe von Hals
und Pumpspitze hat, dann erhöht sich wegen [A] und [C]
der direkt emittierte Lichtstrom um 3,5%, womit sich ein Lichtstrom
von [F]: 1288 Lm = 1.035·31.1 Lm/W·40Wergibt.
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Die
Lichtausbeute beträgt dann [G] 32.2
Lm/W bei 2000 h Lebensdauer
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Durch
Verwendung von Xenon als Hauptbestandteil des Füllgases
anstatt einer Kryptonfüllung wird die Lebensdauer durchschnittlich
um etwa 50% erhöht, so dass die vorgeschlagene Lampe größenordnungsmäßig
etwa [H] 32.2 Lm/W bei 3000 h Lebensdauererreicht.
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Unter
der Annahme eines 95%-igen Wirkungsgrades bei einem elektronischen
Transformator kann eine Netzspannungslampe auf der Basis einer erfindungsgemäßen
NV-Lampe als Brenner wegen [C] eine System-Lichtausbeute von [I] 30,6 Lm/W = 1288 Lm/(40 W/0,95)erreichen.
Damit ist also eine Netzspannungslampe mit elektronischem Trafo
realisierbar, die bei 42 W Leistungsaufnahme den Lichtstrom einer
100 W-Allgebrauchslampe liefert.
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Für
die Realisierung als NV-Lampe ist vorteilhaft, wenn das Lampengefäß ein
geschlossenes Ellipsoid und kein Tonnenkörper ist. Die
große Halbachse des Ellipsoids sollte (im ungestörten
idealen Fall) mindestens 9,5 mm und die kleine Halbachse mindestens
7,5 mm betragen. Der größte Außendurchmesser
des Kolbens sollte dementsprechend mindestens 15 mm betragen, während übliche NV-Lampen
bisher etwa 12 mm maximalen Außendurchmesser aufweisen.
Die Pumpspitze und der Halsbereich werden so gestaltet, dass ihr
Basisdurchmesser höchstens 6 mm beträgt.
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Der
Leuchtkörper ist axial angeordnet und erstreckt sich in
einem Bereich zwischen den beiden Brennpunkten des Ellipsoids. Er
kann wegen seiner Dimensionierung von L und D als nahezu fadenförmig
angenommen werden. Diese Bemaßung steht im völligen
Gegensatz zum Stand der Technik, der regelmäßig
einen Tonnenkörper für das Ellipsoid gewählt
hat und bei dem der Leuchtkörper gerade nicht fadenförmig,
sondern als Zylinderkörper angenommen werden muss.
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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 als Prinzipdarstellung;
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2 eine
Darstellung der ungestörten und gestörten Kolbenbereiche
als Schema;
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3 eine
Netzspannungslampe auf Basis des vorgeschlagenen NV-IRC-Brenners
und eines zugeordneten Trafos;
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4 ein
Querschnitt durch eine Quetschung mit integriertem Pumploch;
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5 einen
Kolben mit geformtem ersten Ende.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Ein
Ausführungsbeispiel einer NV-Halogenglühlampe 1 zeigt 1.
Sie hat einen einfach gewendelten Leuchtkörper 2,
und einen längsgestreckten, mit einer Längsachse
A ausgestatteten Kolben 3, der in einer Quetschung 4 endet.
Durch die Quetschung sind zwei Stromzuführungen 5a, 5b,
evtl. über Folien, aus dem Innern des Kolbens herausgeführt.
Die Stromzuführungen 5 haltern den axial angeordneten
Leuchtkörper 2. Der Kolben 3 ist als
Ellipsoid gestaltet mit einer Exzentrizität von e = 0,6.
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Der
Kolben 3 hat eine Pumpspitze 10 und am entgegengesetzten
Ende des Kolbens einen Hals 11, der in der Quetschung 4 endet.
Der Leuchtkörper ist im Kolben durch die beiden Stromzuführungen
so gehaltert, dass eine kurze Stromzuführung 5a in
etwa axial zur Quetschung geführt ist und eine zweite Stromzuführung 5b vom
quetschungsfernen Ende des Leuchtkörpers beabstandet von
der Achse zur Quetschung zurückgeführt ist. AA
bezeichnet hier den doppelten Wert der großen Halbachse,
hier mit 20 mm gewählt. B bezeichnet den doppelten Wert der
kleinen Halbachse, hier mit 16 mm gewählt. Der Kolben ist
außen oder auch innen mit IRC beschichtet (19),
wie an sich bekannt. Die Länge L des Leuchtkörpers 2 ist
12 mm, sein äußerer Durchmesser D ist 1,2 mm.
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Der
störanfällige Bereich in der Nähe der Pumpspitze
ist mit ST bezeichnet, sein Basisdurchmesser sollte 6 mm quer zur
Längsachse nicht überschreiten. Der störanfällige
Be reich in der Nähe des Halses ist mit HA bezeichnet. Auch
sein Basisdurchmesser quer zur Längsachse sollte 6 mm nicht überschreiten.
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In 2 ist
die Geometrie des Kolbens 3 schematisch dargestellt. Ein
typischer Öffnungswinkel W1 für den ungestörten
und daher voll nutzbaren Bereich des Kolbens beträgt 144°.
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Ein
konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Lampe mit einseitiger
Quetschung. Die Länge A = 2a des Ellipsoidkolbens beträgt
15–30 mm und der maximale Durchmesser B = 2b ist 15–25
mm, wenn a und b die Halbachsen der zugrundeliegenden Ellipse sind.
Der Aussendurchmesser C des eingerollten Halses beträgt
höchstens 8 mm. Die Achse der Glühwendel fällt
mit der strichpunktiert gezeigten Hauptachse des Ellipsoidkolbens
zusammen, wobei sich die Enden des Leuchtkörpers im Bereich
der – nicht dargestellten – Ellipsen-Brennpunkte
befinden.
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Im
Gegensatz zu den bei Niedervolt-IRC-Lampen bisher üblichen
geometrischen Proportionen soll das Verhältnis aus Länge
L und Durchmesser D beim Leuchtkörper der Wendel mindestens
6:1 betragen, wobei Werte im Bereich um 10:1 bevorzugt werden, insbesondere
9:1 bis 11:1. Dadurch wird sichergestellt, dass die Abstrahlung vorrangig
seitlich in die ungestörten Kolbenbereiche erfolgt.
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Die
Glühwendel besteht aus einem hochschmelzenden Material,
beispielsweise aus Wolframdraht, dessen Durchmesser zur Realisierung
verschiedener Leistungsstufen zwischen 100 und 300 μm gewählt
wird. Das Lampengefäss besteht bevorzugt aus Quarzglas,
daher werden häufig – nicht dargestellte – Molybdänfolien
in der Quetschung für die Abdichtung der Stromzuführungen
verwendet.
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Ein
langgestreckter ellipsoidförmiger Kolben hat, wie bereits
erläutert, Vorteile beim Aufbringen der Beschichtung im
Vergleich zu einer eher kugeligen Form. Andererseits bietet eine
sehr spitze und längliche Form mit hoher Exzentrizität
bei realistischen Durchmessern und Wendellängen zu wenig Platz
im Bereich der Wendel-Enden, d. h. der Abstand zwischen Wendel und
Kolben in diesem Bereich verursacht thermische Probleme und das
zur Aufhängung der Wendel nötige Gestell lässt
sich nur schwer unterbringen. Den besten Kompromiss zwischen diesen
gegensätzlich Anforderungen stellt eine elliptische Kontur
dar mit einer Exzentrizität 0.5 = ε =
0.7
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Im
Falle eines von Brennpunkt zu Brennpunkt verlaufenden Leuchtkörpers
entspricht ε gleichzeitig auch dem Verhältnis
aus Wendellänge und Kolbenlänge.
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Neben
dem generellen Vorteil einer höheren Lichtausbeute zeichnet
sich die vorgeschlagene Lösung durch ihre aufgrund des
länglichen Leuchtkörpers ausgeprägte
seitliche Lichtabstrahlung aus. Daraus ergibt sich eine besondere
Eignung für Netzspannungslampen mit Schraub- oder Bajonettsockel und
elektronischem Betriebsgerät. Bei solchen Lampen hat das
zwischen Sockel und Niedervoltbrenner angebrachte Betriebsgerät üblicherweise
einen weitaus größeren Durchmesser als der Lampensockel, schattet
also in diesem Bereich das vom Brenner kommende Licht ab. Durch die
bevorzugt seitliche Abstrahlung der vorgeschlagenen Lösung
werden die daraus resultierenden Verluste vermieden.
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3 zeigt
schematisch eine typische HV-Lampe 20 mit Schraubsockel 23 auf
Basis eines NV-Brenners 21 und eines zugeordneten in die
Lampe integrierten Trafos 22.
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Besonders
hohe Effizienzen lassen sich bei Halogenglühlampen für
den Niedervoltbereich für Betriebsspannungen von 6–48
V erzielen. Die Lampe hat eine axiale Glühwendel mit zylindrischer
Hüllkontur und einen ellipsoidförmigen Kolben,
der mit einer infrarotreflektierenden Schicht (IRC-Schicht) versehen
ist.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Niedervolt-IRC-Lampen ist die Glühwendel
sehr langestreckt und mit einem geringen Durchmesser ausgeführt.
Dadurch kann der Ellipsoidkolben eine längliche Form mit
geringer Oberflächenkrümmung und einen relativ
grossen Durchmesser erhalten, wodurch sich dessen Beschichtbarkeit
und die Langzeitstabilität der Schicht verbessern.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Mittelvolt-IRC-Lampen ist aufgrund der
geringeren Versorgungsspannung eine weitaus kleinere Öffnung
zur Durchführung der Stromversorgung nötig. Dadurch erhöht
sich die für eine Infrarotreflexion zurück auf die
Wendel nutzbare Kolbenfläche, was den Wirkungsgrad ganz
erheblich verbessert. Die vorgeschlagene Lampe ist aufgrund ihrer
Gestaltung weitaus besser als Einbaulampe, üblicherweise
als Brenner bezeichnet, für die Verwendung in Netzspannungslampen
(Hochvolt und Mittelvoltnetze) mit elektronischem Betriebsgerät
geeignet als die üblichen Niedervoltbrenner. Derartige
Netzspan nungslampen können selbstverständlich
auch in Leuchten integriert sein. Der prinzipielle Aufbau ist ähnlich
wie in
DE 83 29 164
U beschrieben.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Kolben
an seinem ersten Ende überhaupt kein Pumploch auf, sondern
er ist dem Ellipsoid folgend abgerundet, wobei das Pumploch in die
Quetschung integriert ist. Eine derartige prinzipielle Konstruktion
ist aus
WO 2007/110320 bekannt. In
4 ist
eine derartige Quetschung
45 im Querschnitt gezeigt, wobei
das Pumploch
39 noch offen dargestellt ist.
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5 zeigt
eine Lampe mit dem Ellipsoid angepassten, geformtem ersten Ende
40,
wobei ein Pumploch
39 in die Quetschung seitlich integriert
ist. Es ist dort mit einem Stempel
41 verschlossen, ähnlich
wie in
WO 2007/110320 beschrieben.
Die Stromzuführungen
42 und
43 sind dabei
dezentral vom Leuchtkörper
44 durch die Quetschung
45 nach
außen geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 765528
A [0002]
- - DE 8329164 U [0003, 0057]
- - WO 2007/110320 [0058, 0059]