DE19701794A1 - Glühlampe mit Reflexionsschicht - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Glühlampe, insbesondere einer Halogen­ glühlampe mit IR-Reflexionsschicht gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Diese Art von Lampen wird sowohl in der Allgemeinbeleuchtung, als auch für besondere Beleuchtungszwecke eingesetzt, in Kombination mit einem Reflektor beispielsweise auch in der Projektionstechnik.

Die rotationssymmetrische Form des Lampenkolbens in Verbindung mit ei­ ner auf seiner Innen- und/oder Außenfläche aufgebrachten IR-Strahlung re­ flektierenden Beschichtung - im folgenden verkürzend als IR-Schicht be­ zeichnet - bewirkt, daß ein Großteil der vom Leuchtkörper abgestrahlten IR-Strahlungsleistung zurückreflektiert wird. Die dadurch erzielte Erhöhung des Lampenwirkungsgrades läßt sich einerseits bei konstanter elektrischer Leistungsaufnahme für eine Temperaturerhöhung des Leuchtkörpers und folglich eine Steigerung des Lichtstromes nutzen. Andererseits läßt sich ein vorgegebener Lichtstrom mit geringerer elektrischer Leistungsaufnahme er­ zielen - ein vorteilhafter "Energiespareffekt". Ein weiterer wünschenswerter Effekt ist, daß aufgrund der IR-Schicht deutlich weniger IR-Strahlungsleistung durch den Lampenkolben hindurch abgestrahlt und da­ mit die Umgebung erwärmt wird als bei herkömmlichen Glühlampen.

Wegen der unvermeidlichen Absorptionsverluste in der IR-Schicht nimmt die Leistungsdichte der IR-Strahlungsanteile irinerhalb des Lampenkolbens mit der Anzahl der Reflexionen ab und folglich auch der Wirkungsgrad der Glühlampe. Entscheidend für die tatsächlich erzielbare Steigerung des Wir­ kungsgrades ist es deshalb, die für eine Rückführung der einzelnen IR- Strahlen auf den Leuchtkörper erforderliche Anzahl von Reflexionen zu mi­ nimieren. Zu diesem Zweck ist der mit der IR-Schicht versehene Lampen­ kolben speziell geformt.

Stand der Technik

Diese Art von Lampen ist beispielsweise in der US-PS 4 160 929, der EP- A 0 470 496, DE-OS 30 35 068 und der DE-OS 44 20 607 offenbart. Die US- PS 4 160 929 lehrt, daß zur Optimierung des Lampenwirkungsgrads die geometrische Form des Leuchtkörpers auf jene des Lampenkolbens angepaßt sein muß. Außerdem sollte der Leuchtkörper möglichst exakt im optischen Zentrum des Lampenkolbens positioniert sein. Dadurch wird eine von der Oberfläche des Leuchtkörpers ausgehende Wellenfront an der Kolbenfläche ungestört zurückreflektiert. Folglich werden Aberrationsverluste minimiert. Ein kugelförmiger Lampenkolben beispielsweise sollte im Idealfall einen zentrisch angeordneten ebenfalls kugelförmigen Leuchtkörper aufweisen. Entsprechende Wendelformen sind aufgrund der begrenzten Duktilität des dafür in der Regel verwendeten Wolframdrahtes allerdings nur sehr einge­ schränkt realisierbar. Als grobe, aber praktikable Näherung für eine Kugel wird eine würfelförmige Wendel vorgeschlagen. In einer weiteren Ausfüh­ rungsform weist die Wendel in ihrer Mitte den größten Durchmesser auf. Dieser nimmt zu den beiden Enden der Wendel hin sukzessive ab. Für eine ellipsoide Kolbenform wird vorgeschlagen, in den zwei Brennpunkten des Ellipsoiden jeweils einen Leuchtkörper anzuordnen.

In der EP-A 0 470 496 ist eine Lampe mit kugelförmigem Kolben offenbart, in dessen Zentrum ein zylindrischer Leuchtkörper angeordnet ist. Diese Schrift lehrt, daß die Einbuße an Effizienz durch die Abweichung des Leuchtkörpers von der idealen Kugelform unter folgenden Voraussetzungen auf ein akzep­ tables Maß begrenzt werden kann. Entweder müssen Kolbendurchmesser und Leuchtkörperdurchmesser bzw. -länge innerhalb eines Toleranzbereichs sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, oder aber der Durchmesser des Leuchtkörpers muß deutlich kleiner sein (kleiner Faktor 0,05) als der des Lampenkolbens. Außerdem ist eine Lampe mit ellipsoidem Kolben angege­ ben, in dessen Brennlinie ein länglicher Leuchtkörper axial angeordnet ist.

Die DE-OS 30 35 068 gibt eine Lehre an zur Minimierung der auch bei letzt­ genannter Ausführungsform unvermeidlichen Aberrationsverluste. Danach liegen die zwei Brennpunkte des ellipsoiden Lampenkolbens auf der Achse des zylindrischen Leuchtkörpers und in vorgegebenen Abständen von des­ sen jeweiligen Enden.

Die DE-OS 44 20 607 schließlich offenbart eine Halogenglühlampe mit einem Lampenkolben, der als ellipsoider oder ellipsoidähnlicher Tonnenkörper ge­ formt und mit einer IR-Schicht versehenen ist. Der ellipsoide oder ggf. ellip­ soidähnliche Teil der Kontur des Tonnenkörpers wird durch einen Ellipsen­ abschnitt erzeugt, dessen kleine Halbachse b senkrecht zur Lampenlängsach­ se, d. h. der Rotationsachse des Lampenkolbens, angeordnet ist. Außerdem ist die kleine Halbachse der Erzeugenden kleiner als der halbe Kolbendurch­ messer D/2 und ca. um den Radius d/2 des Leuchtkörpers parallel zur Ro­ tationsachse verschoben ist, wodurch letzendlich der Tonnenkörper resul­ tiert. Die Länge des Leuchtkörpers entspricht ca. dem Abstand der beiden Brennpunkte des erzeugenden Ellipsenabschnitts. Außerdem ist der Leucht­ körper so innerhalb des Lampenkolbens positioniert, daß - in der Darstellung eines Längsschnittes - die beiden Brennpunkte mit den beiden korrespondie­ renden Eckpunkten des Leuchtkörpers näherungsweise zusammenfallen.

Allerdings wird die Wendel dadurch ungleichmäßig erwärmt. Weiterhin nachteilig bei dieser Lösung ist, daß die erzielbare Verbesserung des Lam­ penwirkungsgrades relativ stark von der Dimensionierung und Positionie­ rung des Leuchtkörpers innerhalb des Lampenkolbens abhängt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu be­ seitigen und eine Glühlampe anzugeben, die sich durch eine effiziente Rück­ führung der emittierten IR-Strahlung auf den Leuchtkörper und folglich ei­ nen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Außerdem sollen kompakte Lampen­ abmessungen bei hohen Leuchtdichten ermöglicht werden, wie dies insbe­ sondere für Niedervolt-Halogenglühlampen angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erläutert.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens wird im folgenden Bezug auf die Fig. 1 genommen. Sie zeigt eine schematische Darstellung der prinzipiellen Zusammenhänge und führt einige für das Verständnis der Erfindung we­ sentliche Größen ein. Gezeigt ist unter anderem eine Ellipse 1 mit der großen und der kleinen Halbachse a bzw. b sowie mit den zwei Brennpunkten F₁ und F₂.

Erfindungsgemäß ist die Kontur des rotationssymmetrischen Lampenkol­ bens 2 (stark schematisch dargestellt; die Stromzuführungen und die Quet­ schung(en) sind zur Vereinfachung nicht dargestellt) im wesentlichen durch einen Ellipsenabschnitt 3 (in Fig. 1 durch eine größere Strichstärke heraus­ gehoben) der Ellipse 1 erzeugt, wobei der Ellipsenabschnitt 3 gezielt so ge­ wählt ist, daß die große Halbachse a senkrecht zur Rotationsachse RA des Lampenkolbens 2 orientiert ist. Ein Leuchtkörper 4 mit rotationssymmetri­ scher, z. B. kreiszylindrischer, Außenkontur (im schematischen Längsschnitt der Fig. 1 als Rechteck dargestellt) ist zentrisch axial innerhalb des Lam­ penkolbens 2 angeordnet. Dadurch ist auch die Brennachse F₁F₁' - das ist die Verbindungsgerade zweier korrespondierender Brennpunkte innerhalb des Lampenkolbens 2 - senkrecht zur Rotationsachse RA des Lampenkolbens 2 orientiert. Insbesondere ist die große Halbachse der Erzeugenden länger als der Radius des Lampenkolbens. Dadurch hat der Lampenkolben nicht mehr die Form eines "echten" Rotationsellipsoiden. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß durch diese Abkehr von der bisherigen Lehre eine deutliche Steigerung der Lampeneffizienz und eine gleichmäßigere Aufheizung des Leuchtkörpers erzielt wird.

In Hinblick auf eine hohe Effizienz hat es sich zudem als vorteilhaft erwie­ sen, wenn die Länge der großen Halbachse a aus dem Bereich R < a < R + 5 . w_r gewählt wird, insbesondere aus dem Bereich R + w_r ≦ a < R + 3 . w_r. Dabei bezeichnen R und w_r den größten Radius des Lampenkolbens bzw. den Radius des zylindrischen oder zylinderähnlichen Leuchtkörpers. Die kleine Halbachse b des erzeugenden Ellipsenabschnitts beträgt ca. die doppelte Länge des Leuchtkörpers.

Der Unterschied zum Stand der Technik wird bei einem Vergleich mit den schematischen Prinzipdarstellungen in den Fig. 2a und 2b deutlich. Die Fig. 2a entspricht im wesentlichen den Verhältnissen in der DE- OS 30 35 068. Sie zeigt einen ellipsoiden Lampenkolben 5, in dessen Innern zentrisch axial ein Leuchtkörper 6 so angeordnet ist, daß die beiden Brenn­ punkte F1 und F2 des Rotationsellipsoiden mit den Enden des Leuchtkör­ pers 6 zusammenfallen. Die Brennachse ist folglich parallel zur Rotationsach­ se RA des Lampenkolbens 5 orientiert, im Unterschied zu vorliegenden Er­ findung.

Die Fig. 2b gibt schließlich die Verhältnisse in der DE-OS 44 20 607 wieder. Hier ist der Lampenkolben 7 als ellipsoider oder ellipsoidähnlicher Tonnen­ körper geformt. In der schematischen Schnittdarstellung sind zwei Ellipsen­ hälften zu erkennen, die mittels zweier Geradenstücke miteinander verbun­ den sind. Dabei fallen die Brennpunktepaare F1, F2 bzw. F1', F2' beider El­ lipsenhälften mit den Eckpunkten des Leuchtkörpers 8 zusammen. Folglich sind die Brennachsen - wiederum im Unterschied zur vorliegenden Erfin­ dung - parallel zur Rotationsachse RA des Lampenkolbens orientiert.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist - außer der Effizienzsteigerung - die ebenfalls erhöhte Gleichmäßigkeit, mit der die IR-Strahlung auf die Wendel zurückreflektiert wird. Dadurch werden lokale Überhitzungen, die zu einer vorzeitigen Zerstörung der Wendel führen können, vermieden. Vor­ teilhaft ist ferner, daß die erzielbare Verbesserung des Lampenwirkungsgra­ des im Vergleich zur DE-OS 44 20 607 weniger von fertigungsbedingten Schwankungen der Positionierung des Leuchtkörpers innerhalb des Kolbens abhängt.

Als Leuchtkörper werden axial angeordnete Einfach- oder Doppelwendeln aus Wolfram verwendet. Die geometrische Dimensionierung, also Durch­ messer, Steigung und Länge hängt u. a. vom angestrebten elektrischen Wi­ derstand R der Wendel ab und dieser wiederum von der gewünschten elek­ trischen Leistungsaufnahme P bei vorgegebener Versorgungsspannung U. Wegen P = U²/R sind die Wendeln bei Hochvolt(HV)lampen in der Regel länger als bei Niedervolt(NV)typen.

Der Leuchtkörper ist mit zwei Stromzuführungen elektrisch leitend verbun­ den, die entweder beide gemeinsam an einem Ende des Lampenkolbens oder aber getrennt an den beiden gegenüberliegenden Enden des Lampenkolbens gasdicht nach außen geführt sind. Die Dichtung erfolgt im allgemeinen über eine Quetschung. Möglich ist aber auch eine andere Verschließtechnik, z. B. eine Tellereinschmelzung. Die einseitig verschlossene Ausführung eignet sich insbesondere für NV-Anwendungen. In diesem Fall lassen sich auf­ grund der relativ kurzen Leuchtkörper sehr kompakte Lampenabmessungen realisieren.

Zur Optimierung der Effizienz der Lampe ist es vorteilhaft, wenn ein mög­ lichst großer Teil der Kolbenwand als effektive Reflexionsfläche genutzt werden kann. Dies läßt sich insbesondere dadurch realisieren, daß der Lam­ penkolben an einem oder ggf. jeweils an beiden Enden im Bereich der Stromdurchführung einen Lampenhals aufweist. Der Lampenhals umgibt die Stromdurchführung möglichst eng und geht in eine Dichtung über. De­ tails hierzu finden sich in der DE-OS 44 20 607.

Der Lampenkolben ist üblicherweise mit Inertgas gefüllt, beispielsweise mit N₂, Xe, Ar und/oder Kr. Insbesondere enthält er Halogenzusätze, die einen Wolfram-Halogen-Kreisprozeß aufrechterhalten, um einer Kolbenschwär­ zung entgegenzuwirken. Der Lampenkolben besteht aus einem lichtdurch­ lässigen Material, beispielsweise Quarzglas.

Die Lampe kann mit einem Außenkolben betrieben werden. Wird eine be­ sonders starke Reduzierung der in die Umgebung abgestrahlten IR-Leistung gewünscht, kann dieser ebenfalls eine IR-Schicht aufweisen.

Die IR-Schicht kann beispielsweise als an sich bekanntes Interferenzfilter - üblicherweise eine Folge alternierender dielektrischer Schichten unter­ schiedlicher Brechzahlen - ausgeführt sein. Der prinzipielle Aufbau geeigne­ ter IR-Schichten ist z. B. in der EP-A 0 470 496 erläutert.

Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nä­ her erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Standes der Technik,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer NV-Halogenglühlampe mit IR- Schicht und einer Wendel mit Innenrückführung sowie einer erfin­ dungsgemäß optimierten Kolbenform.

In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lam­ pe 9 schematisch dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Halogenglüh­ lampe mit einer Nennspannung von 12 V und einer Nennleistung von 35 W. Sie besteht aus einem einseitig gequetschten Lampenkolben 10, der als ellip­ soidähnlicher Körper geformt ist. Die Erzeugende der ellipsoiden Teilkontur des Lampenkolbens 10 ist ein Ellipsenabschnitt, dessen große Halbachse 7,4 mm lang und senkrecht zur Längsachse der Lampe 9 orientiert ist. Die kleine Halbachse der Erzeugenden ist 6,3 mm lang. Der Lampenkolben 10 ist aus Quarzglas mit einer Wanddicke von ca. 1 mm gefertigt und hat einen größten Außendurchmesser von 12 mm. An seinem ersten Ende geht der Lampenkolben 10 in einen Hals 11 über, der in einer Quetschdichtung 12 en­ det. An seinem gegenüberliegenden Ende weist er eine Pumpspitze 13 auf. Auf seiner Außenfläche ist eine IR-Schicht 14 aufgetragen, bestehend aus ei­ nem Interferenzfilter mit mehr als 20 Schichten TiO₂ und SiO₂. Die IR- Schicht überdeckt außerdem noch zusätzlich ca. die Hälfte der Quetschdich­ tung 12. Auf diese Weise wird zum einen eine besonders maßhaltige Form der IR-Schicht 14 erzielt, da bei der Herstellung des Lampenkolbens 10 des­ sen Außenfläche die berechnete Kontur des ellipsoiden Körpers aufgeprägt wird. Zum anderen sind durch die Ausdehnung der IR-Schicht 14 auf einen Teil der Quetschdichtung 12 die einzelnen Schichten im Bereich der Kol­ benoberfläche besonders gleichmäßig. Dadurch werden Farbfehler reduziert. Die Länge des Lampenhalses 11 beträgt ca. 2,5 mm bei einem Außen­ durchmesser von ca. 6 mm. Im Inneren des Lampenkolbens 10 befindet sich eine Füllung aus ca. 6670 hPa Xenon (Xe) Stickstoff (N) Gemisch im Verhält­ nis Xe:N=88 : 12 mit einer Beimengung von 200 ppm Dibrommethan sowie ein axial angeordneter Leuchtkörper 15 mit einer Länge von 3,07 mm und einem äußeren Durchmesser von 1,87 mm. Der Leuchtkörper 15 ist aus Wolfram­ draht mit einem Durchmesser von 152 µm gefertigt. Der Wolframdraht ist zu einer einfachen Schraubenwendel mit einer Steigung von 243 µm gewickelt.

Die Stromzuführungen 16a,b sind direkt durch den Wendeldraht gebildet und mit Molybdän-Folien 17a,b in der Quetschdichtung 12 verbunden. Die Molybdän-Folien 17a,b sind ihrerseits mit äußeren Sockelstiften 18a,b ver­ bunden. Die erste Stromzuführung 16a ist nahezu parallel zur Lampenlängs­ achse und im wesentlichen fluchtend zur Mantelfläche des Leuchtkörpers 15 geführt. Die zweite Stromzuführung 16b des Leuchtkörpers 15 ist zur Lam­ penlängsachse hingebogen und verläuft zentrisch längs der Achse der Win­ dungen des Leuchtkörpers 15 zum sockelfernen Ende. Auf diese Weise wird jegliche Abschattung der Strahlung durch eine Stromzuführung vermieden.

Die Lampe 9 hat eine Farbtemperatur von ca. 3050 K. Der Lichtstrom beträgt 1000 lm, entsprechend einer Lichtausbeute von ca. 28 lm/W. Bei einer ver­ gleichbaren Lampe ohne IR-Schicht ist für den gleichen Lichtstrom eine elek­ trische Leistungsaufnahme von ca. 50 W erforderlich. Folglich kann im Ver­ gleich dazu mit der erfindungsgemäßen Lampe bis zu 42% der elektrischen Leistung eingespart werden.

Zwei weitere Ausführungsbeispiele für eine 50 W bzw. 65 W Halogenglüh­ lampe - ebenfalls für 12 V Betrieb - unterscheiden sich nur durch die Ellip­ senparameter der Erzeugenden für die Lampenkolben sowie durch die Wendelparameter. Der Aufbau entspricht jeweils dem der Fig. 1. In der folgenden Tabelle sind die genannten Parameter für die drei Ausführungs­ beispielen gegenübergestellt.

Vergleich einiger Kolben- und Wendelparameter für drei Halo­ genglühlampen unterschiedlicher elektrischer Leistungsaufnahme

Vergleich einiger Kolben- und Wendelparameter für drei Halo­ genglühlampen unterschiedlicher elektrischer Leistungsaufnahme

Claims (8)

1. Elektrische Glühlampe, insbesondere Halogenglühlampe (9), mit einem eine Längsachse aufweisenden rotationssymmetrischen Lampenkol­ ben (10) mit ellipsoider Teilkontur, bei dem eine Wandfläche mit einer IR-Strahlung reflektierenden Schicht (14) versehenen ist und mit einem rotationssymmetrischen Leuchtkörper (15), der axial innerhalb des Lampenkolbens (10) angeordnet und mittels zweier Stromzuführungen (16a, 16b) gehaltert ist, wobei die beiden Stromzuführungen (16a, 16b) an einer oder an zwei Seiten des Lampenkolbens (10) mittels einer bzw. gegebenenfalls zweier Dichtungen (12) gasdicht nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ellipsoide Teilkontur des Lam­ penkolbens (10) durch einen Ellipsenabschnitt erzeugt ist, dessen große Halbachse a und folglich dessen Brennachse senkrecht zur Längsachse, d. h. senkrecht zur Rotationsachse des Lampenkolbens orientiert ist.

2. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die große Halbachse a des die Teilkontur erzeugenden Ellipsenab­ schnitts länger als der größte Radius R des Lampenkolbens ist, d. h. a<R.

3. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der großen Halbachse a im Bereich R < a < R + 5 . w_r liegt, wobei R und w_r den größten Radius des Lampenkolbens bzw. den größten Radius des rotationssymmetrischen Leuchtkörpers bezeichnen.

4. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der großen Halbachse a im Bereich R+w_r ≦ a<R+3 . w_r liegt.

5. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf der Außenfläche der Lampe aufgebracht ist und den Lampenkolben sowie mindestens einen Teil der Dichtung(en) umfaßt.

6. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der kleinen Halbachse b in folgendem Bereich liegt: w_ℓ/2 < b <3 . w_ℓ, wobei die Größe w_ℓ die Länge des Leuchtkörpers be­ zeichnet.

7. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der einseitigen Dichtung (12) des Lampenkolbens (10) der Leuchtkörper durch eine Schraubenwendel (15) realisiert ist, deren dichtungsferne Stromzuführung innerhalb der Schraubenwendel zu­ rückgeführt ist.

8. Elektrische Glühlampe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (10) min­ destens an einem Ende einen Lampenhals (11) aufweist, der mindestens eine Stromzuführung (16a; 16b) möglichst eng umgibt und dessen kol­ benfernes Ende gasdicht verschlossen ist.