Die Erfindung betrifft eine Leuchteinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Herkömmliche Glühlampen, die eine in einem Glaskolben angeordnete Glühwendel,
beispielsweise aus Wolfram, umfassen, können in Massenproduktionen kostengünstig
hergestellt werden. Bei diesen Glühlampen besteht jedoch das Problem, daß sie sich nicht als
Strahlungsquellen für den IR-Strahlungsbereich eignen. Die Glühwendeln aus Wolfram
emmitieren zwar Strahlung im nahen IR-Bereich, aber diese Strahlung kann den die
Glühwendel umschließenden Glaskolben nicht passieren, da die bekannten Gläser
ausgeprägte Absorptionskanten im IR-Bereich besitzen.
Als Strahlungsquellen im IR-Bereich werden daher IR-Glühstrahler oder Diodenlaser
verwendet. Die IR-Glühstrahler umfassen in der Regel eine Glühwendel oder einen
Glühdraht, die bzw. der in einer Metallhülse oder in einem offenen Glaskolben gehalten ist.
Die Glühwendel oder der Glühdraht sind gegenüber äußeren Einflüssen ungeschützt
angeordnet, wodurch eine instabile Lichtabstrahlung im IR-Bereich hervorgerufen wird und
die Lebensdauer der Glühwendel bzw. des Glühdrahtes erheblich reduziert wird. Die für den
IR-Bereich vorgesehenen Diodenlaser emmitieren einen infraroten Laserstrahl und
ermöglichen eine vergleichsweise stabile und kontinuierliche Lichtabstrahlung. Die
Herstellung derartiger Diodenlaser ist jedoch aufwendig, so daß sie sowohl hohe
Anschaffungskosten als auch hohe Wartungskosten verursachen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige und stabile
Strahlungsquelle im IR-Bereich zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Leuchteinrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, daß an einer Stirnseite des Kolbens ein für die
IR-Strahlung durchlässiger und hitzebeständiger Filter vorgesehen ist, der sich zumindest
bereichsweise über die Stirnseite erstreckt und insbesondere vakuumdicht an der Wandung
des Kolbens angeordnet ist, derart, daß der IR-Bereich der erzeugten Strahlung über den Filter
stirnseitig durch den Kolben hindurchtreten kann. Durch die vakuumdichte Verbindung des
Filters mit der Wandung des Kolbens ist die Glühwendel geschützt im Kolben positioniert
und gewährleistet eine stabile Lichtabstrahlung. Der hitzebeständige Filter kann sich entweder
bereichsweise oder vollständig über die Stirnseite des Kolbens erstrecken. Besonders
bevorzugt bildet der Filter die gesamte Stirnseite des Kolbens, so daß eine höhere
Lichtabstrahlung im IR-Bereich über den Filter ermöglicht wird. Der Filter kann auf einfache
Weise, beispielsweise durch Verschweißen oder Verschmelzen mit der Wandung verbunden
werden, so daß die erfindungsgemäße Leuchteinrichtung kostengünstig herstellbar ist.
Zweckmäßigerweise weist der Filter einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der etwa
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wandung entspricht. Eine vakuumdichte
Verbindung zwischen dem Filter und der Wandung kann somit hergestellt werden.
Vorzugsweise ist die Wandung des Kolbens aus Glas, insbesondere aus Hartglas, wie
Quarzglas, Boro-Silikat-Glas oder Aluminium-Silikat-Glas, hergestellt. Hartgläser zeichnen
sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus und können problemlos evakuiert und mit
Edelgas gefüllt werden. Durch diese Maßnahme kann einerseits die Strahlungsleistung und
andererseits die Lebensdauer der Glühwendel erhöht werden.
Vorteilhafterweise werden als Filter Kristalle, wie Saphir- oder Rubinkristalle, kristall- oder
glasartige Materialien verwendet, die eine Strahlungsdurchlässigkeit im IR-Bereich
aufweisen. Die Kristalle, kristall- oder glasartigen Materialien können auf einfache Weise mit
der Wandung dauerhaft verbunden, vorzugsweise verschmolzen oder verschweißt werden.
Insbesondere die oben erwähnten Kristalle besitzen einen für die Verbindung mit der aus
Hartglas bestehenden Wandung geeigneten Wärmeausdehnungskeffizienten und zeichnen
sich durch eine niedrige Verdampfungsrate aus, so daß die Gasathmosphäre im Kolben nicht
beeinträchtigt wird.
Vorteilhafterweise ist der Filter als Linse, insbesondere als Sammel- oder Fresnellinse
ausgebildet, so daß die durch den Filter durchtretende IR-Strahlung gleichzeitig fokussiert
und eine maximale Strahlungsintensität erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Filter an der Innenseite der Wandung angeordnet
und mit der Wandung fest, insbesondere durch Verschweißen oder Verschmelzen, verbunden.
Zweckmäßigerweise weist die Wandung zur Aufnahme des Filters an der Innenseite eine
vorzugsweise umlaufende Ausnchmung oder Randnut auf. Der Filter ist durch diese
konstruktive Maßnahme ausreichend sicher in der Wandung des Kolbens positioniert. Die
Wärme-Hauptausdchnungsrichtung des Filters verläuft bei dieser Ausgestaltung
zweckmäßigerweise in achsialer Richtung bzw. in Richtung der Zylinderachse der Wandung.
Alternativ kann der Filter auf einem stirnseitigen Randbereich der Wandung positioniert und
mit dem Randbereich fest, insbesondere durch Verschweißen oder Verschmelzen, verbunden
sein. Die Wärme-Hauptausdehnungsrichtung des Filters kann bei dieser Ausgestaltung
sowohl in achsialer Richtung als auch in radialer Richtung verlaufen.
Der Filter kann entweder direkt oder über geeignete Verbindungsmittel, wie Glaslot, mit der
Wandung verbunden sein. Glaslot eignet sich insbesondere dazu, unterschiedliche
Wärmeausdehnungen von Glas und anderen Materialien in einem gewissen Bereich
auszugleichen.
Vorzugsweise ist die Strahlungsintensität der Glühwendel oder dergleichen Glühmittel
regelbar. Die Glühwendel oder dergleichen Glühmittel sind an eine regelbare
Spannungsquelle angeschlossen, so daß die Strahlungsleistung im Hinblick auf die jeweilige
Untergrundstrahlung bzw. Untergrundabsorbtion geeicht werden kann.
Besonders bevorzugt kann die Leuchteinrichtung zur Bestimmung von Gaskonzentrationen,
insbesondere zur Bestimmung von Konzentrationen toxischer Gase wie CO oder Stickoxide,
verwendet werden. Als mögliche Einsatzgebiete kommen die Konzentrationsbestimmungen
von Abgasen bei Industrieanlagen oder Kraftfahrzeugen in Betracht. Die so erhaltenen
Informationen können zur Steuerung und Motorregelung verwendet werden. Ein weiteres
Einsatzgebiet ist die Bestimmung der Luftqualität und eine damit verbundene ökonomische
Steuerung von Klimaanlagen in Großgebäuden. Auch auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik,
insbesondere bei der Rauchdetektion, Messung von Veränderungen der
Luftzusammensetzung und Detektion von giftigen Gasen, beispielsweise bei Schwelbränden,
ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Leuchteinrichtung vorteilhaft.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand
der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Leuchteinrichtung, in
Schnittansicht;
- Fig. 2
- eine zweite, alternative Ausgestaltung der Leuchteinrichtung, in Schnittansicht;
und
- Fig. 3
- eine dritte Ausgestaltung der Leuchteinrichtung, in Schnittansicht.
In Fig. 1 ist eine erste Ausgestaltung einer Leuchteinrichtung in Schnittansicht gezeigt. Die
Leuchteinrichtung umfaßt einen Kolben 1, der eine im wesentlichen zylindrische oder ovale
Wandung 3 aufweist. Die Wandung 3 ist zweckmäßigerweise aus Hartglas, beispielsweise aus
Quarzglas, Boro-Silikat-Glas oder Aluminium-Silikat-Glas hergestellt. An einer der
Stromzuführung zugeordneten Stirnseite des Kolbens 1 ist eine Drahthalterung 10,
beispielsweise eine Glasperle, mit der Wandung 3 durch Verschweißen oder Verschmelzen
vakuumdicht verbunden und bildet den Boden des Kolbens 1. In der Drahthalterung 10 sind
Stromzuführungsdrähte 9 aufgenommen, die vakuumdicht mit der Drahthalterung 10
verbunden sind und an ihren im Kolben 1 angeordneten Enden eine Glühwendel 2 oder
dergleichen Glühmittel haltern. Die Stromzuführungsdrähte 9 besitzen zweckmäßigerweise
eine hohe Schmelztemperatur und sind aus Metallen wie Molybdän oder aus
Einschmelzlegierungen, wie Kovar® hergestellt. Die Glühwendel 2 ist vorzugsweise aus
Wolfram, Platin-Rhodium oder aus einem anderen Metall mit hoher Schmelztemperatur und
niedrigen Verdampfungsraten hergestellt. Die Glühwendel 2 ist über die
Stromzuführungsdrähte 9 an einer regelbaren Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen.
An einer der Stromzuführung gegenüber liegenden Stirnseite 4 ist ein für die IR-Strahlung
durchlässiger und hitzebeständiger Filter 5 angeordnet, der sich über die Stirnseite 4 erstreckt
und vakuumdicht mit der Wandung 3 des Kolbens 1 verbunden ist. Als Filter eignen sich
bevorzugt Saphirkristalle, da diese in großen Mengen und kostengünstig herstellbar sind und
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der aus Hartglas bestehenden Wandung 3 entspricht. Saphirkristalle zeichnen sich auch durch
einen niedrige Verdampfungsraten aus. Alternativ können als Filter andere Kristalle oder
kristall- oder glasartige Materialien verwendet werden, die die oben erwähnten Eigenschaften
besitzen.
Der Filter 5 ist scheibenförmig ausgebildet und an der Innenseite 6 der Wandung 3
angeordnet, wobei die Wandung 3 zur Aufnahme des Filters 5 an der Innenseite 6 eine
umlaufende, korrespondierende Ausnehmung 7 aufweisen kann. Der Filter 5 kann direkt oder
über geeignete Verbindungsmittel, wie Glaslot, mit der Wandung 3 verbunden bzw.
verschmolzen sein. Wesentlich ist, daß der Filter 5 vakuumdicht mit der Wandung 3
verbunden ist, so daß der Kolben 1 evakuiert oder mit einem geeigneten Gas, wie Edelgas,
gefüllt werden kann, um eine hohe Glühtemperatur zu ermöglichen und die
Betriebsbedingungen für die Glühwendel 2 stabil zu halten.
In Fig. 2 ist eine weitere, alternative Ausgestaltung der Leuchteinrichtung dargestellt. Im
Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 ist der Filter 5, wie in Fig. 2 gezeigt, auf
einem stirnseitigen Randbereich 8 der Wandung 3 positioniert und mit dem Randbereich 8 der
Wandung 3 verschmolzen. Der Filter kann direkt oder über Verbindungsmittel, wie Glaslot,
mit der Wandung 3 verbunden sein.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Leuchteinrichtung von Fig. 1. Der Filter 5 ist als Linse,
insbesondere als Sammel- oder Fresnellinse ausgebildet. Die im IR-Bereich emmitierte
Strahlung kann somit gleichzeitig fokussiert werden. In entsprechender Weise kann der Filter
bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 als Linse ausgebildet sein.
Alternativ können die Filter 5 gemäß der Ausgestaltungen nach Fig. 1 und Fig. 2 als
Streulinsen ausgebildet sein, falls eine Streustrahlung erwünscht ist.
Die oben beschriebene Leuchteinrichtung emmitiert als Kontinuumstrahler Strahlung im
gesamten sichtbaren Bereich, im nahen IR-Bereich sowie über das gesamte langwellige IR-Spektrum.
Insbesondere die nahe IR-Strahlung kann zur Detektion und zur
Konzentrationsmessung vieler Gase, darunter auch toxische Gase, herangezogen werden,
wodurch ein weiter Anwendungsbereich der Leuchteinrichtung resultiert. Darüber hinaus
kann die Leuchteinrichtung kostengünstig hergestellt werden und besitzt eine hohe
Lebensdauer, so daß sie sich durch eine große Wirtschaftlichkeit auszeichnet.
Bezugszeichenliste
- 1
- Kolben
- 2
- Glühwendel
- 3
- Wandung
- 4
- Stirnseite
- 5
- Filter
- 6
- Innenseite (Wandung)
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Stirnseitiger Randbereich (Wandung)
- 9
- Stromzuführungsdraht
- 10
- Drahthalterung