DE3701158A1 - Hochleistungsscheinwerfer mit kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsschein­ werfer mit

• a) einem Gehäuse,
• b) einem Lichtaustrittsfenster in dem Gehäuse,
• c) einer Lichtquelle im Inneren des Gehäuses, und
• d) einer Kühleinrichtung, die die von der Lichtquel­ le erzeugte Wärme ableitet.

Hochleistungsscheinwerfer wurden insbesondere für die Beleuchtung bei Filmaufnahmen entwickelt. Heut­ zutage werden Hochleistungsscheinwerfer nicht nur in Film- und Fernsehstudios sowie Theatern und ande­ ren Plätzen für öffentliche Veranstaltungen einge­ setzt, sondern auch in Diskotheken zur Erzeugung von speziellen Farbeffekten. Unter den Hochleistungs­ scheinwerfern spielen die Farb-Scheinwerfer eine be­ sondere Rolle, da die als gefärbte Glasscheiben ausge­ bildeten Farbfilter die Intensität des aus dem Schein­ werfer austretenden Lichtstrahls dämpfen. Diese Dämpfung bedeutet zum einen, daß für eine geforderte Beleuchtungs-Leistung eine sehr starke Lichtquelle vorgesehen werden muß. Zum anderen nimmt das Farb­ filter beträchtliche Wärmeenergie auf. Bekanntlich ist der Anteil der reinen Lichtenergie, bezogen auf die elektrische Leistung der Lichtquelle, nur sehr gering. Der größte Teil der der Lichtquelle zuge­ führten elektrischen Energie wird in Wärmeenergie umgesetzt.

Wegen der starken Wärmeentwicklung in Hochleistungs­ scheinwerfern müssen Kühleinrichtungen verwendet werden. Bei Scheinwerfern mittlerer Leistung reicht es unter Umständen aus, in dem Gehäuse Belüftungs­ schlitze vorzusehen. Bei Scheinwerfern höherer Leistung ist in dem Gehäuse ein Ventilator vorgesehen, der da­ für sorgt, daß die stark wärmeentwickelnden Teile kontinuierlich mit Kühlluft versorgt werden.

In Theatern oder Diskotheken beispielsweise ist auf Grund der großen Menschenansammlungen die Luft mit einem relativ hohen Staubanteil belastet. Werden nun in einer solchen Umgebung Hochleistungsscheinwerfer mit eingebautem Ventilator verwendet, wo wird relativ stark verschmutzte Luft in das Scheinwerfergehäuse gesaugt. Die Schmutzpartikel in der Luft bleiben be­ vorzugt an denjenigen Teilen innerhalb des Scheinwer­ fergehäuses haften, die gekühlt werden sollen: an der Lichtquelle, am Lichtaustrittsfenster, an Farbfiltern.

Es wurde herausgefunden, daß die Verschmutzung der lichtdurchlässigen Teile von Hochleistungsscheinwer­ fern sehr rasch vonstatten geht und alsbald so stark ist, daß die Lichtintensität gegenüber der Intensität bei nicht-verschmutzten Scheinwerferteilen um 60% re­ duziert wird.

Die oben aufgezeigten Probleme treten besonders bei Farb-Hochleistungsscheinwerfern in Erscheinung, die in Diskotheken sowie bei Rock-Konzerten eingesetzt wer­ den; denn es ist üblich, daß in diesen Bereichen auf künstlichem Wege (chemisch) Nebel erzeugt werden, um spezielle optische Effekte zu erzielen. Die Rückstän­ de dieser Nebel sammeln sich bevorzugt an den gekühl­ ten, lichtdurchlässigen Teilen der Scheinwerfer.

Geht man nun von einer Langzeit-Ausgangsleistung eines Scheinwerfers aus und trägt der raschen Verschmutzung des Scheinwerfers mit der dadurch bedingten Leistungs­ verminderung Rechnung, so muß der Scheinwerfer eine relativ hohe Leistung aufweisen, um auch bei ver­ schmutzten Scheinwerferteilen die geforderte Licht­ leistung zu erbringen.

Die bislang üblichen Hochleistungsscheinwerfer mit Kühleinrichtung waren wegen der oben genannten Umstän­ de voluminöse, sehr schwere Geräte, die nicht nur teuer in der Herstellung, sondern auch schwierig in der Handhabung waren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch­ leistungsscheinwerfer der eingangs genannten Art zu schaffen, der über lange Zeiträume hinweg eine gleich­ bleibend hohe Lichtleistung gewährleistet.

Hierzu sieht die Erfindung vor:

• e) das Gehäuse ist im wesentlichen luftdicht abge­ schlossen,
• f) im Inneren des Gehäuses befindet sich eine Luftum­ wälzeinrichtung, und
• g) an die Luftumwälzeinrichtung schließt sich eine Luftleitanordnung an, die die wärmeabgebenden Teile einfaßt und mit einem Teil der Gehäuse-Innenfläche einen Luft-Rückstromkanal (R) bildet.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Hoch­ leistungsscheinwerfers ist der im wesentlichen luft­ dichte, auf jeden Fall aber staubdichte Abschluß des Scheinwerfergehäuses. Dadurch wird erreicht, daß sämtliche in dem Gehäuse befindlichen Teile vor Ver­ schmutzung bewahrt bleiben und mithin keine Leistungs­ reduzierung verursachen können. Um nun die beim Be­ trieb des Scheinwerfers entstehende Verlustwärme ab­ zuführen, wird die Luft im Inneren des Gehäuses, zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Ventilators, umge­ wälzt. Diese Umwälzung geschieht mit Hilfe der Luft­ leitanordnung gezielt derart, daß die an den wärmeab­ gebenden Teilen erwärmte Luft, bevor sie erneut über diese Teile streicht, durch den Luft-Rückstromkanal an einem großen Teil der Gehäuseinnenwand vorbei­ streicht. Die Gehäusewand hat somit die Funktion eines Wärmetauschers. Zur Verstärkung der Wärmeübertragung können auf der Innenseite und/oder der Außenseite des Gehäuses noch flächenvergrößernde Rippen oder der­ gleichen vorgesehen sein.

Die Erfindung schafft also einen Hochleistungsschein­ werfer, bei dem ein Verschmutzen der in ihm befindli­ chen optischen Teile ausgeschlossen ist und der des­ halb über einen langen Zeitraum hinweg gleichbleiben­ de hohe Lichtleistung gewährleistet.

Die Luftleitanordnung hat in einer speziellen Ausge­ staltung eine einem Rohr ähnliche Form, wobei an einem Rohrende der Ventilator als Luftumwälzeinrichtung an­ geordnet ist, während das andere Rohrende mit Abstand dem Lichtaustrittsfenster gegenüberliegt. Während des Durchströmens des Rohrkörpers wird die Luft durch die Lichtquelle, durch Farbfilter oder dergleichen er­ wärmt. Wenn dann im Bereich des Lichtaustrittsfensters die erwärmte Luft umgelenkt wird, wird sie beim Vor­ beistreichen an der Gehäusewand beträchtlich abge­ kühlt, so daß die in dem Ventilator eintretende Luft relativ kalt ist.

Bei Scheinwerfern mit sehr hoher Leistung kann es sein, daß die Gehäuse-Oberfläche nicht groß genug ist, um die im Gehäuse erzeugte Wärmeenergie abzustrahlen. Bei derartigen Hochleistungsscheinwerfern schlägt die Erfindung als selbständig geschützte Maßnahme vor, in dem Luftzustromweg der Luftumwälzeinrichtung einen Wärmetauscher anzuordnen, an dem eine Kühlmittel-Zu­ laufleitung und eine Kühlmittel-Ablaufleitung ange­ schlossen sind, die beide durch die Gehäusewand hin­ durchgeführt sind und mit einem außerhalb des Gehäu­ ses befindlichen Wärmetauscher strömungsverbunden sind.

Mit Hilfe einer vorzugsweise vorgesehenen Kühlmittel­ pumpe wird das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf umge­ wälzt, und im Inneren des Gehäuses wird die in der umgewälzten Luft noch enthaltene Wärmeenergie zum großen Teil auf das Kühlmittel übertragen. Bei dem Wärmetauscher in dem Gehäuse handelt es sich zum Bei­ spiel um einen Rippen-Wärmetauscher, ähnlich einem Automobil-Motorkühler. Die durch die Kühlrippen strei­ chende warme Luft gibt die Wärmeenergie über die Rip­ pen an das Kühlmittel ab. Das erwärmte Kühlmittel wird in dem außerhalb des Gehäuses befindlichen Wärme­ tauscher abgekühlt, wozu vorzugsweise außerhalb des Gehäuses dem dort befindlichen Wärmetauscher ein Ven­ tilator zugeordnet ist. Das abgekühlte Kühlmittel ge­ langt dann wieder in das Innere des Gehäuses.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist grundsätzlich bei allen Hochleistungsscheinwerfern einsetzbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Kühleinrichtung jedoch bei einem Hochleistungsschein­ werfer eingesetzt, in dessen Gehäuse

• a) eine mehrere dichroitische Spiegel umfassende Strahl­ teileranordnung,
• b) eine mehrere dichroitische Spiegel umfassende Strahl­ syntheseanordnung, und
• c) in dem Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen ver­ stellbare Masken oder Dämpfungsfilter

angeordnet sind.

Bei einem solchen Scheinwerfer lassen sich praktisch sämtliche Farben dadurch erzeugen, daß die durch die dichroitischen Spiegel gewonnenen Farbkomponenten (zum Beispiel rot, blau und grün) individuell durch Dämpfungsfilter in ihrer Intensität beeinflußt wer­ den, bevor die einzelnen Komponenten dann wieder durch die Syntheseanordnung zusammengesetzt werden.

Zum Dämpfen der einzelnen Farbkomponenten, bei denen es sich vorzugsweise um Komponenten der drei Primär­ farben handelt, können mechanische Lamellen-Jalousien verwendet werden, aber auch elektrooptische Dämpfungs­ filter. Letztere werden durch eine angelegte Spannung gesteuert zwischen den Zuständen "vollständig durch­ lässig" und "vollständig geschlossen".

In der allgemeinsten Form schafft die Erfindung einen Hochleistungsscheinwerfer mit einer Wärmetauscher- Kühleinrichtung, wobei das Gehäuse des Scheinwerfers staubdicht abgeschlossen ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze eines Farb-Hoch­ leistungsscheinwerfers,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer als Dämpfungsfilter dienenden Lamellen-Jalousie,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Hochlei­ stungsscheinwerfers mit erfindungsgemäßer Kühlvorrichtung,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Kühlvorrichtung für einen Hochleistungsscheinwerfer.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Hochleistungs­ scheinwerfer zur Erzeugung farbigen Lichts besitzt ein Gehäuse 1, in dessen Vorderwand ein Lichtaustritts­ fenster 2 befestigt ist.

Das von einer als Lichtquelle dienenden Hochdruck- Quecksilberdampflampe 3 abgegebene (weiße) Licht trifft zunächst auf einen als Farbfilter dienenden dichroitischen Spiegel 6, der die Rot-Komponente (R) des Lichts reflektiert und die Grün- und Blau-Kompo­ nente (G+B) durchläßt. Der dem Spiegel 6 nachgeordne­ te dichroitische Spiegel 7 reflektiert die Blau-Kom­ ponente (B) und läßt die Grün-Komponente (G) durch. Letztere wird von einem Spiegel 4 reflektiert.

In den Strahlengängen der einzelnen Primärfarben- Komponenten Rot (R), Blau (B) und Grün (G) befinden sich Dämpfungsfilter 10, 11 bzw. 12. Die Dämpfungs­ filter besitzen jeweils praktisch identischen Aufbau.

Fig. 2 zeigt repräsentativ für die Dämpfungsfilter 10, 11 und 12 den Aufbau des als Lamellen-Jalousie ausgebildeten Dämpfungsfilters 10. In einem Rahmen 101 sind mehrere Lamellen 102, 103, 104... an Schwenkachsen 110 angeordnet. An den Schwenkachsen 110 der einzelnen Lamellen ist ein Betätigungsgestän­ ge 111 befestigt, welches zum Verstellen der einzel­ nen Lamellen 102, 103, 104.... in Richtung des Dop­ pelpfeils bewegt werden kann, so daß sich die Lamel­ len in Richtung des gekrümmten Doppelpfeils bewegen. Sind die Lamellen senkrecht zur Ebene des Rahmens 101 orientiert, wird das Licht praktisch ungedämpft durchgelassen. Durch zunehmendes Schräg-Stellen der Lamellen 101, 103, 104.... wird das senkrecht bezüg­ lich der Rahmen-Ebene einfallende Licht mehr und mehr gesperrt, bis schließlich bei einer bestimmten Winkel­ stellung der Lamellen überhaupt kein Licht mehr durch die Jalousie hindurchtreten kann.

Sperrt man beispielsweise in Fig. 1 die Jalousien 10 und 11 vollständig und läßt die Jalousie vollstän­ dig auf, so gelangt nur die Grün-Komponente (G) auf einen dichroitischen Spiegel 9 und wird dort vollstän­ dig auf eine Optik 14 reflektiert, über die das Licht aus dem Lichtaustrittsfenster 2 austritt. Die Optik 14 kann mit Hilfe eines Elektromotors 13 zur Fokussie­ rung des austretenden Lichtstrahls verstellt werden.

Die Rot-Komponente trifft bei geöffneter Jalousie 10 auf einen Spiegel 5 und wird dort auf einen nachge­ ordneten dichroitischen Spiegel 8 reflektiert. Der di­ chroitische Spiegel 8 läßt rotes Licht durch und re­ flektiert blaues Licht. Deshalb wird die Blau-Kompo­ nente des Lichts, die von der Jalousie 11 durchgelas­ sen wird, an dem dichroitischen Spiegel 8 reflektiert. Die Rot- und Blau-Komponente (R+B) tritt durch den dichroitischen Spiegel 9 hindurch. Vor der Optik 14 werden also die mehr oder minder stark gedämpften drei Farbkomponenten vereinigt, so daß aus dem Licht­ austrittsfenster 2 ein Lichtstrahl mit der gewünschten Farbe austritt.

Die Hochdruck-Quecksilberdampflampe 3 erzeugt im Be­ trieb Wärme. Die dichroitischen Spiegel 6, 7, 8 und 9 absorbieren ebenfalls eine gewisse Wärmeenergie-Menge. Die als Lamellen-Jalousien ausgebildeten Dämpfungsfil­ ter absorbieren ebenfalls eine gewisse Wärmeenergie- Menge, und zwar um so mehr, je stärker die Jalousie geschlossen ist. Die Optik 14 absorbiert eine gewisse Menge der in dem Lichtstrahl enthaltenen Wärmeenergie. Das Gleiche gilt für das Lichtaustrittsfenster 2.

Um die in dem Inneren des Gehäuses 1 anfallende Wärme­ energie wirksam abzuleiten und dadurch eine Überhitzung der Scheinwerfer-Bauteile zu vermeiden, ist die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Kühlvorrichtung vorgesehen.

Zunächst soll die Ausführungsform nach Fig. 3 betrach­ tet werden. Hier ist das Gehäuse schematisch von oben dargestellt. In dem Gehäuse 1 befindet sich - dem Lichtaustrittsfenster 2 mit Abstand gegenüberliegend - ein als Leitblech dienender Rohrkörper 20 aus Metall. In das dem Lichtaustrittsfenster 2 abgewandte Ende des Rohrkörpers 20 ist ein Ventilator 21 eingebaut, der in dem Gehäuse 1 eine stetige Luftströmung erzeugt. Der Rohrkörper 20 faßt die Lichtquelle 3, die hier schema­ tisch mit F bezeichneten Farbfilter sowie die schema­ tisch mit J bezeichneten Lamellen-Jalousien, sowie gegebenenfalls noch weitere Bauteile des Scheinwerfers ein.

Wenn nun die Luft von dem Ventilator 21 durch den Rohrkörper 20 bewegt wird, wird die Luft an den einzel­ nen Bauteilen 3, F, J erwärmt. Im Bereich des Licht­ austrittsfensters 2 ist die Luft also sehr stark er­ wärmt. Von dieser Stelle an streicht die Luft zwischen der Außenfläche des Rohrkörpers 20 und der Innenwand des Gehäuses 1 durch den somit gebildeten Luft-Rück­ stromkanal R zum hinteren Teil des Gehäuses zurück. Während des Vorbeistreichens an der Innenseite der Gehäusewand kühlt sich die Luft ab, indem sie einen Teil der in der enthaltenen Wärmeenergie an das Ge­ häuse abgibt. Wenn dann die Luft wieder in den Venti­ lator 21 eintritt, ist sie beträchtlich abgekühlt. Durch die ständig umgewälzte Luft werden also die von dem Rohrkörper 20 eingefaßten Teile des Hoch­ leistungsscheinwerfers effizient gekühlt.

Obwohl in der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellt, können auf der Innenseite und/oder der Außenseite des Gehäuses 1 Kühlrippen oder dergleichen angeordnet sein, die die Wärmeübertragungsfläche des Gehäuses noch ver­ größern.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung, die speziell für Scheinwerfer sehr hoher Leistung ausgelegt ist. In Fig. 4 sind gleiche oder ähnliche Teile wie in Fig. 3 mit entsprechenden, ge­ strichenen Bezugszeichen versehen. Auf der Luftein­ trittsseite des Ventilators 21′ befindet sich ein Wärmetauscher 22, in welchen eine Kühlmittel-Zulauf­ leitung 23 mündet und von welchem eine Kühlmittel- Ablaufleitung 24 abgeht. Die beiden Kühlmittelleitun­ gen 23 und 24 durchsetzen eine Seitenwand des Gehäuses 1′.

Außerhalb des Gehäuses 1′ befindet sich ein weiterer Wärmetauscher 25. Eine angeschlossene Kühlmittelpumpe 26 hält einen kontinuierlichen Kühlmittelstrom in dem Kühlkreislauf aufrecht, der gebildet wird durch die beiden Wärmetauscher 22 und 25 sowie durch die beiden Kühlmittel-Leitungen 23 und 24. Dem äußeren Wärmetauscher 25 ist noch ein Kühl-Ventilator 27 zu­ geordnet. In dem Kühlkreislauf 22-25 wird ein Kühl­ mittel wie beispielsweise Wasser, umgewälzt.

Die im Inneren des Rohrkörpers 23′ erhitzte Luft streicht - wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 - durch den Luft-Rückstromkanal R zum hinteren Teil des Gehäuses 1′ zurück, wobei sich die Luft an der Gehäusewand abkühlt Vor dem Eintritt in den Wärme­ tauscher 22 ist die Luft jedoch noch nicht vollständig oder ausreichend abgekühlt. Innerhalb des Wärmetauschers 22 wird jedoch eine beträchtliche Wärmeenergie-Menge über die Kühlelemente des Wärmetauschers an das Kühl­ mittel abgegeben. Das dadurch erwärmte Kühlmittel ge­ langt durch die Leitung 24 zu dem äußeren Wärmetau­ scher 25, wird dort abgekühlt, und gelangt dann wie­ der durch die Kühlmittel-Zuleitung 23 kalt in den inneren Wärmetauscher 22.

Bei den Wärmetauschern 22 und 25 kann es sich um han­ delsübliche Rippen-Wärmetauscher handeln, die den bei Kraftfahrzeugen üblichen Motor-Kühlern ähnlich sind.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform eines Hochleistungsscheinwerfers (Fig. 1 und 2) bestehen die Dämpfungsglieder in den einzelnen Strahlengängen aus Lamellen-Jalousien. Statt dieser mechanischen Variante lassen sich auch elektrooptische Bauelemen­ te verwenden, zum Beispiel Flüssigkristall-Elemente, die abhängig von der Höhe einer angelegten Steuer­ spannung das durchtretende Licht vollständig durch­ lassen oder vollständig blockieren.

Claims (11)

1. Hochleistungsscheinwerfer, mit

• a) einem Gehäuse (1),
• b) einem Lichtaustrittsfenster (2) in dem Gehäuse,
• c) einer Lichtquelle (3) im Inneren des Gehäuses, und
• d) einer Kühleinrichtung (20, 21,....27), die die von der Lichtquelle erzeugte Wärme ableitet,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

• e) das Gehäuse (1) ist im wesentlichen luftdicht abgeschlossen,
• f) im Inneren des Gehäuses (1) befindet sich eine Luftumwälz­ einrichtung (21), und
• g) an die Luftumwälzeinrichtung (21) schließt sich eine Luft­ leitanordnung (20, 20′) an, die die wärmeabgebenden Teile (3, 10, 11, 12) einfaßt und mit einem Teil der Gehäuse- Innenfläche einen Luft-Rückstromkanal (R) bildet.

2. Hochleistungsscheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft­ leitanordnung als Rohrkörper (20, 20′) ausgebildet ist, an dessen einem Ende sich als Luftumwälzeinrich­ tung ein Ventilator (21) befindet, und dessen anderes Ende mit Abstand von dem Luftaustrittsfenster (2) an­ geordnet ist, und daß der Ventilator (21) mit Abstand von der dem Lichtaustrittsfenster (2) gegenüberliegen­ den Gehäusewand angeordnet ist.

3. Hochleistungsscheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Luftzustromweg der Luftumwälzeinrichtung (21) ein Wärmetauscher (22) angeordnet ist, an den eine Kühl­ mittel-Zulaufleitung und eine Kühlmittel-Ablaufleitung (23, 24) angeschlossen sind, die beide durch die Ge­ häusewand hindurchgeführt sind und mit einem außerhalb des Gehäuses (1) befindlichen Wärmetauscher (25) strömungsverbunden sind.

4. Hochleistungsscheinwerfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aus den beiden Wärmetauschern (22, 25) und den Kühl­ mittelleitungen (23, 24) bestehenden Kreislauf eine Kühlmittelpumpe (26) angeordnet ist.

5. Hochleistungsscheinwerfer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem äuße­ ren Wärmetauscher (25) ein Ventilator (27) zum Kühlen des aus dem Gehäuse kommenden Kühlmittels vorgesehen ist.

6. Hochleistungsscheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse

• a) eine mehrere dichroitische Spiegel umfassende Strahl­ teileranordnung,
• b) eine mehrere dichroitische Spiegel umfassende Strahl­ syntheseanordnung und
• c) in den Strahlengängen der einzelnen Teilstrahlen verstellbare Masken oder Dämpfungsfilter

angeordnet sind.

7. Hochleistungsscheinwerfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsfilter als Lamellen-Jalousien (10-12) ausge­ bildet sind.

8. Hochleistungsscheinwerfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsfilter als elektrooptische Bauteile ausge­ bildet sind.

9. Hochleistungsscheinwerfer mit luftdicht abgeschlossenem Gehäuse und Wärmetauscher-Kühlvor­ richtung.