DE3035068A1

DE3035068A1 - Ellipsoidfoermiger kolben fuer eine gluehfadenlampe mit reflexion der infrarotstrahlung

Info

Publication number: DE3035068A1
Application number: DE19803035068
Authority: DE
Inventors: Raymond P. Waldwick N.J. Fontana; Peter Stirling N.J. Walsh
Original assignee: Duro Test Corp
Current assignee: Duro Test Corp
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1981-04-02
Also published as: JPS5682565A; FR2465313B1; GB2059154A; MX148084A; GB2059154B; CA1162972A; FR2465313A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung !betrifft eine ellipsoidförmige Glühfadenlampe, die Mittel zur Zurückstrahlung infraroter Energie aufweist.

Die Verwendung einer sichtbares Licht hindurchlassenden _r infrarote Strahlung reflektierenden Beschichtung auf dem Kolben einer Glühfadenlampe, um Infrarotenergie zu dem Glühfaden zurückzustrahlen und dessen Betriebstemperatur zu erhöhen und dadurch die von dem Glühfaden verbrauchte Energiemenge auf eine erwünschte Temperatur zu verringern, ist bekannt. Eine typische Maßnahme besteht darin, optischgenaue sphärische Kolben und einen kompakten Glühfaden zu verwenden, welcher in der optischen Mitte des Kolbens angeordnet ist. Eine solche Lampe ist aus der US-PS 4,160,929 bekannt, die an die Anmelderin der folgenden Anmeldung übertragen worden ist.

In der Praxis ist es nicht möglich, entweder eine Punktquelle oder einen sphärischen Kolben herzustellen. Es hat sich allgemein herausgestellt, daß ein länglicher Glühfaden, der entweder zweifach oder dreifach gewendelt und entweder horizontal oder vertikal bezüglich eines sphärischen Kolbens angeordnet ist, die in der Praxis günstigste Ausgestaltung einer Glühlampe ist, die eine die infrarote Strahlung reflektierende Beschichtung aufvreist. Wenn jedoch ein optisch genauer, sphärischer Reflektor in Verbindung mit einem nichtsphärischen, beispielsweise einem länglichen Glühfaden verwandt wird, geht ein Teil der von dem Eef lektor auf dem Kolben zurückgestrahlten Strahlung aufgrund von Aberrationen

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an den Enden des Glühfadens verloren. Wenn einmal diese Strahlung bei einer Reflexion verlorengegangen ist, ist sie im wesentlichen für alle folgenden Reflexionen von der reflektierenden KoIbenbeschichtung verloren, es sei denn, es wird irgendeine Art von einem Wiedergewinnungsmechanismus verwandt.

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine verbesserte Glühfadenlampe, "bei der der Kolben ellipsoidförmig ist und eine Infrarotstrahlung-Reflexionsbeschichtung aufweist. Der Glühfaden hat die Form eines länglichen Zylinders, welcher innerhalb des reflektierenden Kolbens zentriert ist. Der ellipsoidförmige Kolben ist so ausgebildet, daß seine zwei Brennpunkte auf der Achse des Glühfadens und in vorgegebenen Abständen von den jeweiligen Glühfadenenden liegen, um Verluste aufgrund von Aberrationen zu verringern.Dadurch können Aberratiohs-Verluste auf ungefähr die Hälfte gegenüber denjenigen bei einem sphärischen Kolben mit dem gleichen zylinderformigen Glühfaden verringert werden. 3?erner wird durch die YerA-endung eines ellipsoidförmigen Elementes die zurückgesandte Infrarotstrahlung an zwei Punkten mit vorbestimmten Abständen von den Glühfadenenden statt in einem einzigen Punkt konzentriert. Dadurch wird das Temperaturgradient gleichförmiger.

Durch die Erfindung wird also eine elektrische Glühfadenlampe mit einer Infrarotstrahlung auf den Glühfaden reflektierenden Beschichtung geschaffen, um dessen Betriebstemperatur zu erhöhen, wobei der Kolben eüspoidf örmig ausgebildet ist und der Glühfaden und der Kolben in einer solchen Beziehung stehen, daß Terluste aufgrund von Aberrationen verringert werden und daß eine gleichförmigere Temperäturver-

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teilung längs des Glühfadens erzeugt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 einen Längsschnitt einer herkömmlichen Glühfadenlampe,

Pig. 2 einen Querschnitt durch die Glühfadenlampe gemäß Fig. 1 zur Darstellung der Aberrationswirkungen,

KLg. 3 einen Längsschnitt eines ellipsoidförmigen Kolbens, wobei die Grundidee der Erfindung dargestellt wird, und

Pig. 4 einen Querschnitt der Glühfadenlampe gemäß Pig. 3? in der die Anordnung des Glühfadens gezeigt ist.

Pig. 1 zeigt eine herkömmliche Glühfadenlampe 10. Diese Lampe weist einen Kolben 11 auf, der bevorzugt die er-' wünschte optische Porm hat, wobei die dargestellte· Porm mit Ausnahme des Sockelabschnittes sphärisch ist. Die Lampe hat eine Einrichtung, um infrarote Energie, die beim Glühen des Glühfadens erzeugt wird, zu dem Glühfaden zurückzusenden. Die Lampe 10 ist über den größten Teil ihrer sphärischen Oberfläche entweder innen oder außen mit einer Beschichtung 12 versehen, welche in hohem

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ORIGINAL INSPECTED

Maße für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich durchscheinend und für Infrarotstrahlung stark reflektierend
ist. Eine geeignete Beschichtung ist in der vorhergehend erwähnten US-PS 4,160,929 beschrieben. Andere Beschichtungen können verwandt werden.

Ein Glühfaden 22 ist an einem Paar Zufuhrungsdrähte 18,20 befestigt, die in einem Zapfen oder Stamm 17 gehalten sind. Die Zuführdrähte 18,20 sind durch den Stamm zu elektrischen Eontakten 14,16 an einem Sockel 13 geführt. Der Stamm 17 weist eine Röhre auf, die nicht dargestellt ist und durch die das Innere des Lampenkolbens evakuiert und, wenn dieses erwünscht·ist, mit einem Gas gefüllt wird. Geeignete Gase sind beispielsweise Argon, eine Argon-Stickstoff-Mischung oder ein Gas mit großem Molekulargewicht wie z.B. Krypton· Die Lampe kann auch als Vakuumlampe betrieben werden.

Wenn an die Lampe eine Spannung angelegt wird, glüht der Glühfaden 22 und erzeugt Energie sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich. Die genaue Spektralverteilung des Glühfadens hängt von dem Widerstand des Glühfadens ab. Typische GIf^- ^adenbetriebstemp eraturen liegen im Bereich _: von ungefähr 2650° K bis ungefähr 2900° K, obgleich eine so tiefe Temperatur wie 2000 E und so hohe Temperatur
wie 3050⁰ K verwandt werden kann. Wenn die Betriebstemperatur des Glühfadens ansteigt, verschiebt sich die Spektralverteilung weiter zum Koten,d.h. es wird mehr infrarote Energie erzeugt.

Die Beschichtung 12 dient zusammen mit der optischen 3?ona der Lampe dazu, einen wesentlichen und vorzugsweise einen so groß wie möglichen Teil, beispielsweise ungefähr Q3% oder mehr der von dem Glühfaden erzeugten Infrarot energie zu dem

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Glühfaden zurück zu reflektieren. Wenn die Energie zu dem Glühfaden reflektiert wird, steigt dessen Betriebstempaatur an und dadurch nimmt die zum Betrieb des Glühfadens "bei dieser Temperatur erforderliche Energie ab.

2 zeigt, wie die Aberrationseffekte an den Enden des Glühfadens hervorgerufen werden. Diese 3?igur stellt den Lampenquerschnitt längs der Langsachse des Kolbens dar. Zum Zweck der Erklärung wird davon ausgegangen, daß der Kolben in dieser Richtung eine geschlossene Kugel darstellt. Es sei angenommen, daß der Glühfaden 22 die Länge 1 hat und daß die Glühf adenmi'tte C im optischen Mittelpunkt des sphärischen Kolbens angeordnet ist. Der Glühfaden hat auch allgemein die l?oria eines Zylinders mit einem Durchmesser D. Betrachtet man die Strahlen, welche von einem Ende O des Glühfadens, an einem von der Achse entfernten Punkt bei dessen Glühen ausgehen, so werden diese Strahlen wirkungsvoll unter einer Vielzahl von Winkeln erzeugt, die eine sphärische Oberfläche überdecken. Zwei solcher Strahlen E₁ uiiä Sp sind dargestellt, die unter einem Winkel ausgesandt -«erden, welciier im wesentlichen bezüglich der Glühfadenaehse spitz ist. St-rei andere Strahlen S^ und S₂ sind dargestellt, welche unter einem Winkel ausgesandt werden, der in Bezug auf die Längsachse des Glühfadens leicht stumpf -M;. Wie es dargestellt ist, ist der.Bildpunkt der Strahlen ^₁ und E₂ in der Wähe des Bildpunktes I₂, der außerhalb des Glühfadens liegt, während die Bildpunkte der Strahlen S^ und S₂ in der 3Jähe des Bildpunktes I^ liegen, der sich am Ende des Glühfadens befindet. Es kann gezeigt werden, daß für alle Strahlen, die von dem Endpunkt O ausgehen, die Bildpunkte für viele dieser Strahl en in einem Bereich außerhalb des Glühfadenendes gegenüber dem Ende O liegen. Die infrarote

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Energie, welche niclit auf den Glühfaden zurückgeworfen wird bzw. auf diesem abgebildet wird, ist verloren, es sei denn, sie wird wiedergewonnen.

Eine gleiche Untersuchung kann für die Strahlen vorgenommen werden, welche von dem Glühfadenende ausgesandt werden, welches gegenüber liegt. Eine Analyse zur Berechnung dieser Endverluste ist weiter unten angegeben.

Die gesamten Aberrationsverluste stammen von der Bildverzeichnung die den Seiten oder der äußeren Oberfläche des Glühfadens sowie seinen Enden zugeordnet ist. Die Verluste von den Seiten treten auf, weil die Geometrie des Glühfadens nicht genau zur Form des Kolbens paßt, so daß die "Wellenfront der Strahlen von den Seiten des Glühfadens auch nicht genau dem Kolben entspricht, und es tritt einige Aberration auf, wenn diese zurück zum Glühfaden reflektiert werden.

Man kann aeisen, daß die Aberrationsverluste L„ von den Seiten eines länglichen Glühfadens, der im optischen Zentrum einer optisch genauen Kugel mit dem Radius R angeordnet ist", sieh ergeben zu:

° 3T H (E₀A₀ + E_eA_e)

Worin bedeuten:

I die Glühfadenlänge,
R den Radius des Glühfädenzylinders, A dei für den Durchmesser des Glühfadens aage nommene Oberflächenbereich des Zylinders,

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-TO-

A den Endbereich, des Glühfadens, E_ß das Emissionsvermögen des Zylinders, E das Emissionsvermögen des Endes des Glühfadens.

Bei einer Glühfadenlänge von 13,0 mm in einem 80mm G-25 kugelförmigen Glaskolben und mit E. gleich 0,55 und E_Ä ungefähr 1 berechnen sich die Seitenverluste I» zu ungefähr 3,1%· Das heißt, dieser Anteil an infraroter Energie wird nicht auf den Glühfaden wieder abgebildet und geht verloren.

Pig. 3 zeigt einen ellipsoidförmigen Kolben, um Endverluste zu verringern, während fig. 4- eine schematische Schnittdarstellung zeigt, um die Ausbildung des ellipsoidförmigen Kolbens und die Lage der Mitte des Glühfadens darzustellen. In Fig. 4 ist zum Zwecke der Erklärung der Kolben als vollkommen ellipsoidförmig angenommen.

In Pig. 3 wurden die gleichen Bezugszeichen wie in Pig. benutzt. Der Kolben 42 weist eine ellipsoidförmige Form auf, d.h. es -nirde eine Ellipse genommen und um 360° gedreht,um das Ellipsoid zu erzeugen. Der Kolben weist einen Sockel T3 mit einem Schaft und einer Röhre auf. Der Glühfaden 22, der vorzugsweise zweifach oder dreifach gewendelt ist, wird als ein Zylinder betrachtet, dessen Achse längs der größeren Achse der Ellipse liegt. Der Kolben 4-2 ist entweder innen oder außen mit der Infrarotstrahlung reflektierenden und sichtbares Licht hindurchlassenden Beschichtung 12 beschichtet.

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BAD ORIGINAL

Gemäß Pig. 4· ist der Korben 42 "bezüglich des Glühfadens so ausgebildet, daß die Lage der Brennpunkte der Ellipse so angeordnet ist,daß die Summe von End- und Seitenaberrationen minimalisiert wird.In einem Ellipsoid werden Strahlen, die nahe von einem der Brennpunkte ausgesandt werden, die längs des Glühfadens angeordnet sind,von der Beschichtung auf der Kolbenwand zu Seitenpunkten nahe den Brennpunkten auf der gegenüberliegenden Seite des Glühfadens reflektiert, von dem der Strahl ausgesandt worden ist, -wobei die Mitte C als Teilungslinie betrachtet wird. Normalerweise ist eine innere Reflexion erforderlich. Die sichtbare Strahlung geht jedoch durch die Beschichtung beim ersten Auf treffen auf die Beschichtung mit einem Anteil hindurch, welcher durch das Transmissionsvermögen der Beschichtung bestimmt ist.

Strahlen, die in der Uähe der Brennpunkte ausgesandt werden, weisen keine Aberration auf. Jedoch tritt an den Enden des Glühfadens aufgrund von Verzeichnung Aberration auf.

In einem Infrarotstrahlung reflektierenden Kolben, ob sphärisch oder ellipsoidförmig, bildet sich das Bild eines Strahl es. der von dem Glühfadenende mit einem Winkel θ besüglich der Slühfadenachse ausgesandt worden ist, mit einigem Abstand S hinter dem entgengesetzten Ende gemäß der folgenden Gleichung:

2 (^/2) ²COs²G ₍₂₎

Der Abstand vom Ende des Glühfadens bis zur Mitte beträgt £/2. Somit tritt in einigen VinkeXbereichen von Strahlen, die von jedem Ende des Glühfadens ausgesändt worden sind,

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ein Verlust auf, d.h. die Strahlen werden nicht auf dem gegenüberliegenden Ende des Glühfadens nach der Reflexion an der Beschichtung abgebildet. Man kann zeigen, daß die Strahlen innerhalb des Raumwinkels zwischen θ^, und θ~ für den Glühfaden verlorengehen. Das heißt, die Strahlen von dem linken Ende des Glühfadens zwischen den zwei konischen Winkeln werden nicht von dem Glühfaden geschnitten.

Der Endverlust L™ errechnet sich zu

P P "^e^e

- cos θ-) ^: (3)

V ⁺ V

wobei die anderen Größen bereits vorhergehend definiert worden sind.

Bei einem IJwm langen Glühfaden in einem G-25 Kolben von 80mm Durchmesser betragen θ^ und θ·ρ in etxfa 10,8 und 64-,3°- Der Ab errat ion s verlust Lg am Ende beträgt ungefähr 6,8% und der der Seite "beträgt ungefähr 3i^%, wie vorhergehend diskutiert, so daß sich ein Gesamtverlust von 9?9% ergibt. Dieses wäre der Yerlust in einem sphärischen Kolben, in dem der längliche Glühfaden genau optisch zentriert ist.

Um die Abmessungen der Ellipse zu bestimmen, um die Aberrationsverluste zu minimalisieren, wird davon ausgegangen, daß bei einer nicht zu exzentrischen Ellipse die Endaberration vom Abstand von einem der Brennpunkte in der gleichen Weise abhängen wird, wie die Aberration von dem Abstand des Glühfadenendes von der Mitte der Kugel abhängt. Diese sphärische Aberration hängt quadratisch von dem Abstand

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von der Mitte ab und es wird angenommen, daß die elliptische Aberration quadratisch von dem Abstand von dem nahesten der beiden Brennpunkte abhängt, die sich in einem Abstand ^X von der Mitte der Ellipse befinden. Der elliptische Aberrationsverlust L wird dann als die Summe der End- und Seitenverluste genommen.

Cf-*)² i-i_e 1-2— +L₀

φ φ

worin L den Verlust längs des Zylinders bedeutet.

s ρ ρ

Die Ausdrücke (^ -X) und X in den eckigen Klammern stammen von der Seitenaberration und zwar von der Ellipsenmitte fort und zu der Ellipsenmitte hin. Venn X = O, dann degeneriert die Ellipse zu einer Kugel und

wie dies gefordert wurde.

Die minimale Aberration ergibt sich wenn man -^ = Q setzt. Lösen dieser Gleichung führt zu:

X (Lp ₊ Lj

- --3 S, (5)

//2 L₁- + 2L_n

Wenn L-g = O ist, ist X die halbe Strecke von der Mitte zu einem Glühfadenende. Das heißt, der Brennpunkt befindet sich bei X in einem Abstand von einem Viertel der

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BAD ORIGINAL

Glühfadenlänge von dem Ende des Glühfadens her. Bei dieser Lage des Brennpunktes beträgt die elliptische Aberration ein Viertel derjenigen Aberration eines Glühfadens in einem sphärischen Kolben.

Wenn I· = O beträgt, dann liegt X am Glühfadenende und es gibt keine elliptische Aberration. Somit wird die sphärische Aberration um einen Faktor ein Viertel oder weniger innerhalb der Ellipse verringert.

In einem praktischen Beispiel beträgt X = 0,76 (//2) und die Brennpunkte liegen ungefähr auf drei Viertel der Strecke von der Mitte zu einem Ende. Der gesamte Aberrationsverlust beträgt dann ungefähr 2,4-% verglichen mit ungefähr 9S% in einer Kugel.

Wie bereits erwähnt, hat die Verwendung des Ellipsoids mit zwei Brennpunkte]! die weiteren Vorteile, nämlich daß die reflektierte Infrarotstrahlung auf zwei Funkte, nämlich die Brerrapunkte, konzentriert wird, gegenüber ungefähr einem einzigen Punkt in einer sphärischen Geometrie. Dies ergibt: eine gleichmäßigere Temp eraturver te llung längs des Glühfadens. Ferner wird die zurückgesandte Strahlung in zwei Punkten statt in einem fokussiert und zwischen diesen wird eine geringere Defokussierung vorliegen. Da die Leuchtausbeute bzw. der Beleuchtungswirkungsgrad eines Glühfadens eine Punktion der Temperatur ist, die an den kühleren·Stellen abnimmt,, erzeugt die gleichmäßigere Temperaturverteilung eine größere Leuchtleistung. Auch führen ungleichmäßige Temperaturgradienten zu einer kürzeren Lebensdauer des Glühfadens, und der gleichmäßigere Temperaturgradient hilft, dies zu verhindern.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRUNECKER

DIPL-tNG.

H. KINKELDEY

DR-ING

W. STOCKMAIR 3035068 oa.^.^™,

K. SCHUMANN

_β Dft BtR NAT. · DIPL-PHYS

P. H. JAKOB

Dl PL-INQ

G. BEZOLD

DR REH.NÄT· OR.-CHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 15 442-4-6/L

Duro-Test Corporation

2321 Kennedy Boulevard

North Bergen, Jffew Jersey 07047

Ellipsoidförmiger Kolben für eine Glühfadenlampe mit Reflexion der Infrarotstrahlung

? a t entansprüche

Elektrische Glühfadenlampe mit einem Korben, in dem ein Glühfaden angeordnet ist, mit Mitteln zur Zuführung elektrischer Energie zu dem Glühfaden,um dessen Glühen zur Erzeugung von Strahlung im infraroten und im sichtbaren Bereich zu "bewirken, und mit Mitteln die mit dem Kolben zusammenarbeiten, um einen wesentlichen Anteil der erzeugten infraroten Strahlung von dem Kolben zu dem Glühfaden zurückzusenden und um einen wesentlichen Anteil der von dem Glühfaden erzeugten Strahlung im sichtbaren Bereich hindurchzulassen, dadurch g e k e η η -

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TELEPON (Ο8β) 322862 TELEX OS-203SO TELEQFiAMME MONAPAT TELEKOPIERER

zeichnet , daß dieser Kolben (42) ellipsoidformig ist und daß der Glühfaden (22) länglich ausgebildet und längs der größeren Achse des ellipsoxdförmigen Kolbens (42) angeordnet ist, wobei sich die Brennpunkte des Ellipsoids auf dem Glühfaden an solchen Punkten befinden, daß "Verluste von dem Glühfaden (22) aufgrund von Seitenoder Endaberration verringert werden.
2. Glühfadenlampe nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich jeder Brennpunkt in einem Abstand von einem jeweiligen Ende des Glühfadens (22) bis zu ungefähr dem halben Abstand bis zur Mitte (C) des Glühfadens (22) befindet.
5- Glühfadenlampe nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß sich jeder Brennpunkt an dem jeweiligen Ende des Glühfadens (22) befindet, um die Seitenverluste z~a ninimalisieren.
4. Glühfaden! anpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet; , daß sich jeder Brennpunkt in etwa auf der Hälfte der Strecke von einem entsprechenden Ende des Glühfadens (22) bis zur Mitte (G) des Glühfadens (22) befindet.
5. Glühfadenlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sich jeder Brennpunkt ungefähr bei dreiviertel der Strecke von der Mitte (C) des Glühfadens (22) bis zu einem entsprechenden Ende befindet.

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6. Glühfadenlampe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die mit dem Kolben zusammenarbeitenden Mittel eine Beschichtung (12) auf der Eolbenwand umfassen.

7· Glühfadenlampe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sich jeder Brennpunkt in einem solchen Abstand befindet, daß eine gleichmäßigere Temperaturverteilung längs des Glühfadens erzeugt wird.

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