NL1029363C2

NL1029363C2 - Reflector-warmtegloeilamp met uniforme straling.

Info

Publication number: NL1029363C2
Application number: NL1029363A
Authority: NL
Inventors: Michael R Kling
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-17
Also published as: GB2415771A; FR2872673B3; GB0511987D0; NL1029363A1; DE102005029260A1; US20060002112A1; CA2506332A1; GB2415771B; FR2872673A3; US7196460B2

Description

Reflector-warmtegloeilamp met uniforme straling

001. TECHNISCH GEBIED

5 002. De uitvinding heeft betrekking op gloeilampen en meer in het bijzonder op derge lijke lampen welke worden aangewend als bronnen van stralingswarmte.

003. TECHNISCHE ACHTERGROND

10 004. Directionele infrarood warmtelampen zijn algemeen verkrijgbaar als BR40 of R- 40 lampen welke omhullingen hebben die zijn gemaakt van zacht glas. Daarnaast is het bekend dat men deze lampen kan maken in een formaat PAR38 uit van geperst hard glas vervaardigde reflector- en lenscomponenten. Deze lampen worden frequent gebruikt voor toepassingen in landbouw en industrie waar het gewenst is dat een naar 15 verhouding groot plat oppervlak uniform wordt verwarmd. De heden beschikbare warmtelampen verrichten de gewenste functie gewoonlijk echter niet goed omdat de lampen een niet-uniforme vermogensdistributie hebben, waarbij de maximale stralingsintensiteit op de as afneemt tot 50% van de piekwaarde binnen ongeveer 15 graden ten opzichte van de as van de lamp. De hoek van de stralingsbundel in dergelijke ge-20 vallen is ongeveer 30 graden.

005. De heden beschikbare modellen van deze warmtelampen zijn gebaseerd op de standaard lampen die ontworpen zijn voor algemene verlichtingsdoeleinden en gebruiken grotendeels dezelfde componenten om de kosten laag te houden. De BR40 en R-40 lampen realiseren een zekere mate van bundelspreiding door het gebruik van een ge- i 25 matteerd binnenoppervlak, maar de maximale bundelspreiding is daarbij zeer begrensd. De PAR38 lampen kunnen optische elementen omvatten in zowel de reflector als de lens en bieden een veel grotere mate van besturing van de distributie van de stralingsbundel. De beschikbare PAR38 lampen voor algemene verlichting en infraroodver-warming gebruiken een reflector welke slechts een geringe mate van bundelspreiding 30 verschaft. Het meeste van de spreiding wordt geëffectueerd door middel van de lens, welke karakteristiek is gevormd uit een veelheid van bolvormige uitsteeksels of lenti-culen. Bij PAR38 lampen met gloeispiraal kan, door geëigend ontwerp van de straal en de ruimtelijke indeling van de bolvormige lenticulen, een bundelspreiding van bijna 50 1029363" 2 graden worden verkregen. Deze optische middelen kunnen een redelijk brede vlakke j piek verschaffen welke afheemt tot 50% van de piekwaarde op 25 graden buiten de hoofdas. Het is niet mogelijk een groot gebied van uniforme bestraling te realiseren op een plat oppervlak onder gebruikmaking van gebruikelijke lenzenoptiek met bolvor-5 mige lenticulen. Bovendien is dit type lichtverdeling niet normaliter vereist of gewenst bij algemene verlichtingstoepassingen.

006. Zelfs bij een isotropisch stralende lamp is de straling welke op een plat oppervlak valt dat in de normaalrichting ten opzichte van de as van de lamp is gelegen niet uniform, en neemt sterk af met de afstand ten opzichte van het midden vanwege de in- 10 verse-kwadratenwet en de cosinuswet van verlichting. Bij een puntbron wordt de straling op een oppervlak beschreven door E = I/D2 cosP (Vergelijking 1) 007. waarin: I = stralingsintensiteit, D = afstand ten opzichte van de bron, E = bestra-lingssterkte, β = hoek ten opzichte van normaal.

008. Op basis van deze vergelijking kan worden aangetoond dat bij uniforme intensi-15 teit de bestralingssterkte afheemt als cos2 van de hoek ten opzichte van de normaal. Bij sommige toepassingen is het wenselijk een uniforme bestralingssterkte van een cirkelvormig plat oppervlak te hebben, welke gedefinieerd is door een vaste hoek van 50 graden. Een warmtelamp van gebruikelijk ontwerp met de breedst mogelijke bun-delspreiding heeft ten minste 60% afname van de bestralingssterkte tussen het midden 20 en de rand. De meeste in het handelsverkeer verkrijgbare warmtelampen hebben een veel grotere variatie. Dit leidt tot niet-uniforme temperatuurdistributie over het doelgebied binnen een zone van 0,6 steradiaal.

009. BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

25 0010. Het is derhalve een doel van de uitvinding de nadelen van de stand van de techniek op te heffen.

0011. Het is een ander doel van de uitvinding infrarood warmtelampen te verbeteren.

0012. Het is een nog ander doel van de uitvinding een infrarood warmtelamp te 30 verschaffen welke de normale cos2 afname van de bestralingssterkte opheft.

0013. Deze doelen worden volgens een aspect van de uitvinding gerealiseerd door middel van een infrarood warmtelamp welke een reflectorlichaam omvat dat afgesloten is door een lens en welke een binnen het lichaam gelegen bron van infraroodstraling 10293033 3 heeft, waarbij de lens een veelheid van daarop gevormde lenticulen heeft teneinde een in essentie uniforme stralingsintensiteit te verschaften binnen een kegel van 50° op een planair oppervlak dat op afstand van de lens is gelegen, waarbij de stralingsintensiteit varieert als de inverse van (cos β)2.

5

0014. KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

0015. Fig. 1 is een aanzicht in dwarsdoorsnede van een warmtelamp welke een uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruikt; 10 OOló.Fig. 2 is een vergroot aanzicht in doorsnede van lenticulen welke kunnen worden gebruikt bij de uitvinding; 0017. Fig. 3 is een bovenaanzicht van een lenticulen-inrichting; 0018. Fig. 4 is een grafiek van relatieve stralingsintensiteit-distributie van een veelheid van lampen welke de uitvinding gebruiken; en 15 0019. Fig. 5 is een grafiek van de temperatuurdistributie.

0020. OPTIMALE UITVOERINGSWIJZE VAN DE UITVINDING

0021. Voor een beter begrip van de onderhavige uitvinding, tezamen met andere en 20 verdere doelen, voordelen en mogelijkheden daarvan, wordt verwezen naar de beschrijving hieronder en de aangehechte conclusies, gelezen in samenhang met de hierboven beschreven tekeningen.

0022. Thans met meer specificiteit verwijzend naar de tekeningen is in figuur 1 een dwarsdoorsnede getoond van een uitvoeringsvorm van de uitvinding, omvattend een 25 infrarood emitterende warmtelamp 10 welke een lichaam 12 heeft dat is afgedicht ten opzichte van een lens 16. Ten minste een gedeelte van het inwendige reflectorgedeelte 11 van lichaam 12 heeft een parabolische configuratie. Dit inwendige reflectorgedeelte 11 kan zijn gecoat met aluminium of een ander reflecterend materiaal. Een infrarood warmtebron zoals een wolfraam spiraal 14 is gelegen nabij het focale punt van het pa-30 rabolisch gevormd reflectorgedeelte 11, zodanig dat een aanzienlijk gedeelte van het uitgestraalde vermogen een richting heeft welke evenwijdig is aan de as 18 van de lamp. De stralingsbron 14 wordt gedragen door invoerdraden 20, 22, welke door mid- 1029363" 4 del van hardsolderen of op een andere manier zijn vastgezet aan metalen staven 24, 26 die hermetisch zijn afgedicht ten opzichte van het reflectorlichaam 12.

0023. Elektrisch vermogen wordt vanuit een niet getoonde bron door de staven 24, 26 via de invoerdraden 20, 22 naar de wolfraam spiraal 14 geleid. Het ingesloten li- 5 chaamsvolume 28 bevat karakteristiek een inert gas zoals stikstof of argon of een mengsel daarvan. De lucht wordt weggezogen en de inerte vulling wordt verschaft via een uitstootbuis 30 welke dan wordt afgedicht teneinde een hermetische afdichting te verschaffen. Een karakteristieke metalen voet zoals een Edison-schroefdraadvoet, wordt dan bevestigd aan de onderzijde van het lichaam 12 en verbonden met de staven 10 en dient als de geleider voor de elektrische voeding.

0024. De lens 16 is op zijn binnenoppervlak voorzien van een veelheid van lenticulen 32. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding hebben de lenticulen een parabolische configuratie. Deze lenticulen kunnen worden beschreven als de omwenteling rond een as van de lijn die gedefinieerd is door Y = X2/4a (Vergelijking 2), waarin "a" 15 de focale lengte van de parabool is.

0025. Andere lenticulen-vormen dan de parabolische kunnen worden gebruikt. Bijvoorbeeld, lenticulen-vormen tussen parabolisch en conisch kunnen ook de gewenste inten-siteitsdistributie verschaffen. Deze vormen kunnen zijn gedefinieerd door de relatie Y = XN/4a (Vergelijking 3), waarin "N" groter is dan 1 en kleiner dan of gelijk aan 2.

20 0026. De lenticulen 32 kunnen als array zijn ingericht op het binnenoppervlak van de lens in een dicht opeen gepakt zeshoekig raster; een meer uniform en rond bestralings-patroon kan echter worden verkregen door de lenticulen in te richten in concentrische ringen zoals getoond in fig. 3.

0027. Bij wijze van voorbeeld vereist een specifieke toepassing voor een warmtelamp 25 dat een cirkelvormig gebied met een diameter van 20 inch uniform wordt verwarmd door middel van een lamp met een lensoppervlak dat 20 inch boven het platte oppervlak is gelegen. Overeenkomstig vergelijking 1 zal de ideale stralingsintensiteit-distri-butie een maximale intensiteit hebben op ongeveer 25 graden ten opzichte van de as van de lamp en zal de stralingsintensiteit op de bundel in het midden ongeveer 20% 30 lager zijn. Dit is slechts een benadering omdat de nauwe spatiëring van de lamp en het verlichte oppervlak de relatie gecompliceerder maakt. Parabolische lenticulen met een focale lengte van 0,0195 inch bleken de gewenste intensiteitdistributie te verschaffen bij een rij-spatiëring van de lenticulen van 0,105 inch en een omtrek-spatiëring van de 1029363- 5 lenticulen van ongeveer 0,112 inch. De kritische parameters zijn de exponent "N" en de verhouding van de inverse focale lengte 1/a ten opzichte van de gemiddelde lenticule-spatiëring "b". Lagere waarden van "N" leiden tot een groter verschil tussen piekinten-siteit en axiale intensiteit. Hogere verhoudingen van inverse focale lengte ten opzichte 5 van de Ienticule-spatiëring leiden tot een bredere hoek van de stralingsbundel of een breder gebied van uniforme bestralingssterkte; deze hoge verhoudingen zijn echter moeilijk te vervaardigen. Bij een exponent van 2 is de optimale focale lengte "a" ongeveer 0,00215/b. Een nuttig gebied van Ienticule-spatiëring voor PAR38 lampen is ongeveer 0,040 tot 0,40 inch en de bruikbare focale lengte is 0,0015/b tot 0,005/b.

10 0028. Bij wijze van experiment werden PAR38 lenzen vervaardigd volgens de voorkeursuitvoeringsvorm onder gebruikmaking van spiraal-concentrische ringen van parabolische lenticulen met een focale lengte van 0,0195 inch, "N" = 2, en met een gemiddelde Ienticule-spatiëring op het nauwste punt van 0,108 inch. De lenzen werden gebruikt voor het maken van warmtelampen van 175W, 120V. De relatieve intensi- 15 teitsdistributie van deze lampen is getoond in fïg. 4. De grafiek vertegenwoordigt het gemiddelde van 6 lampen en de distributie is redelijk dicht gelegen bij de ideale inten-siteitsdistributie welke gedefinieerd is door vergelijking 1.

0029. Als een verdere test werd ook de warmtedistributie welke door deze lampen wordt verschaft gemeten onder gebruikmaking van een array van zwarte koperen schij- AC' 20 ven die 20 inch beneden de lamp waren gelegen op een thermisch isolerend oppervlak. De stijging van de temperatuur van de schijven boven de omgevingstemperatuur werd gemeten onder gebruikmaking van fijne-draad-thermokoppels van het type K., die waren gehecht aan de onderzijde van de schijven. De temperatuurmetingen werden verricht in een tochtvrije kamer bij 74°F nadat thermisch evenwicht was bereikt. De tem- 25 peratuurdistributie is getoond in fïg. 5. De oppervlaktetemperatuur varieerde met minder dan 5°F (~20%) over het gehele te onderzoeken gebied, en met slechts 2°F (10%) over een cirkelvormig gebied met een diameter van 17 inch.

0030. Infrarood warmtelampen welke uniforme bestraling verschaffen kunnen worden vervaardigd in andere lampvormen en -grootten en willekeurig welke bron die infra- 30 rode en/of zichtbare straling emitteert kan worden gebruikt. Andere reflectorvormen dan de parabolische zouden ook effectief kunnen zijn maar zouden andere parameters vereisen voor de parabolische lenticulen.

1029363- 6 0031. Hoewel hetgeen hier is getoond en beschreven heden wordt beschouwd als de voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding zal het voor deskundigen op dit gebied van de techniek duidelijk zijn dat ten aanzien daarvan diverse veranderingen en modificaties kunnen worden verricht zonder dat dit een afwijking inhoudt ten opzichte van de 5 reikwijdte van de uitvinding zoals gedefinieerd door de aangehangen conclusies.

j 1029363-

Claims

1. Infrarood warmtelamp, omvattend: een reflectorlichaam, afgesloten door een lens, en waarbij een bron van infra-5 roodstraling binnen het lichaam is gelegen, waarbij de lens een veelheid van daarop gevormde lenticulen heeft teneinde in essentie uniforme stralingsintensiteit te verschaffen binnen een kegel van 50° op een planair oppervlak dat op afstand van de lens is gelegen, waarbij de stralingsintensiteit varieert als de inverse van (cos β)2. 10

2. Infrarood warmtelamp volgens conclusie 1, waarbij de lenticulen een parabolische vorm hebben.

3. Infrarood warmtelamp volgens conclusie 2, waarbij de lenticulen een vorm 15 hebben die gedefinieerd is als de omwenteling rond een as van een lijn conform Y = X2/4a, waarin "a" de focale lengte van de parabool is.

4. Infrarood warmtelamp volgens conclusie 1, waarbij lenticulen een vorm hebben die gedefinieerd is als de omwenteling rond een as van een lijn conform Y =

20 XN/4a, waarin "a" de focale lengte van de boog is en "N" groter is dan 1 en kleiner dan of gelijk aan 2. 1029363-