DE19701792A1

DE19701792A1 - Glühlampe mit Reflexionsschicht

Info

Publication number: DE19701792A1
Application number: DE19701792A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Binder; Sigbert Mueller
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 1998-07-23
Also published as: TW360895B; US6160341A; JP2000507388A; CA2249374C; CN1216156A; EP0891628B1; CA2249374A1; DE59809533D1; CN1146014C; WO1998032157A1; EP0891628A1; HUP0000469A3; HU223239B1; KR100420874B1; KR20000064567A; HUP0000469A2; JP4223563B2

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 innerhalb 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 Quetschung(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. Dabei ist der Ellipsenabschnitt 3 gezielt so gewählt, daß erstens die kleine Halbachse b senkrecht zur Rotationsachse RA des Lampenkolbens 2 orientiert ist und daß zweitens die kleine Halbachse länger als der Radius R des Lampenkolbens 2 ist. Dadurch hat der Lampen kolben 2 nicht mehr die Form eines "echten" Rotationsellipsoiden. Überra schenderweise hat es sich gezeigt, daß durch diese Abkehr von der bisheri gen Lehre eine deutliche Steigerung der Lampeneffizienz und eine gleich mäßigere Aufheizung des Leuchtkörpers erzielt wird. Ein Leuchtkörper 4 mit rotationssymmetrischer, z. B. kreiszylindrischer, Außenkontur (im sche matischen Längsschnitt der Fig. 1 als Rechteck dargestellt) ist zentrisch axial innerhalb des Lampenkolbens 2 angeordnet. Dadurch ist auch die Brennachse F₁F₂ - das ist die Verbindungsgerade der beiden Brennpunkte innerhalb des Lampenkolbens 2 - parallel zur Rotationsachse RA des Lam penkolbens 2 verschoben und zwar in Richtung von der Erzeugenden weg.

In Hinblick auf eine hohe Effizienz hat es sich zudem als vorteilhaft erwie sen, wenn die Länge der kleinen Halbachse b aus dem Bereich R<b<R+5.w_r gewählt wird, insbesondere aus dem Bereich R+w_r≦b<R+3.w_r. Dabei bezeichnen R und w_r den größten Radius des Lampenkolbens bzw. den Radius des zylindrischen oder zylinderähnlichen 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 kolinear zur Rotati onsachse RA des Lampenkolbens 5 angeordnet, im Unterschied zu vorlie genden Erfindung.

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. Hier sind die Brennachsen zwar parallel zur Rotationsachse RA verschoben, aber - im Unterschied zur vorliegenden Erfindung - in Richtung zur Erzeugenden hin.

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- und MV(Mittelvolt)Anwendungen. In diesem Fall lassen sich aufgrund der relativ kurzen Leuchtkörper sehr kompakte Lam penabmessungen 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 W-Schicht aufweisen.

Die IR-Schicht kann beispielsweise als an sich bekanntes Interferenz filter - 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 MV-Halogenglühlampe mit IR-Schicht und einer Wendel sowie mit einer erfindungsgemäß opti mierten Kolbenform.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lampe 9 schematisch dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Halogenglühlampe mit einer Nennspannung von 120 V. Sie besteht aus einem einseitig ge quetschten Lampenkolben 10, der als ellipsoidähnlicher Körper geformt ist. Die Erzeugende der ellipsoiden Teilkontur des Lampenkolbens 10 ist ein El lipsenabschnitt, dessen kleine Halbachse 8,2 mm lang ist und senkrecht zur Längsachse der Lampe 9 orientiert ist. Die große Halbachse der Erzeugenden ist 9,3 mm lang. Der Lampenkolben 10 ist aus Quarzglas mit einer Wanddic ke von ca. 1 mm gefertigt und hat einen größten Außendurchmesser von ca. 15 mm. An seinem ersten Ende geht der Lampenkolben 10 in einen Hals 11 über, der in einer Dichtung 12 endet. An seinem gegenüberliegenden Ende weist er eine Pumpspitze 13 auf. Auf seiner Außenfläche ist eine IR-Schicht 14 aufgetragen, bestehend aus einem Interferenzfilter mit mehr als 20 Schichten TiO₂ und SiO₂. Innerhalb des Lampenkolbens ist ein Leuchtkör per 15 zentrisch axial angeordnet. Er weist eine Länge von 9,7 mm und ei nem äußeren Durchmesser von 1,25 mm auf. Der Leuchtkörper 15 ist aus Wolframdraht gefertigt.

Claims

1. Elektrische Glühlampe, insbesondere Halogenglühlampe, mit einem eine Längsachse aufweisenden rotationssymmetrischen Lampenkolben mit ellipsoider Teilkontur, bei dem eine Wandfläche mit einer IR-Strahlung reflektierenden Schicht versehenen ist und mit einem rotati onssymmetrischen Leuchtkörper, der axial innerhalb des Lam penkolbens angeordnet und mittels zweier Stromzuführungen ge haltert ist, wobei die beiden Stromzuführungen an einer oder an zwei Seiten des Lampenkolbens mittels einer bzw. gegebenenfalls zweier Dichtungen gasdicht nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ellipsoide Teilkontur des Lampenkolbens durch einen Ellipsen abschnitt erzeugt ist, dessen kleine Halbachse b senkrecht zur Längs achse, d. h. senkrecht zur Rotationsachse des Lampenkolbens orientiert ist und dessen kleine Halbachse b länger als der größte Radius R des Lampenkolbens ist, d. h. b<R.

2. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der kleinen Halbachse b im Bereich R<b<R+5.w_r liegt, wobei R und w_r den größten Radius des Lampenkolbens bzw. den größten Radius des rotationssymmetrischen Leuchtkörpers bezeichnen.

3. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der kleinen Halbachse b im Bereich R+w_r≦b<R+3.w_r liegt.

4. 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.

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

6. Elektrische Glühlampe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben minde stens an einem Ende einen Lampenhals aufweist, der mindestens eine Stromzuführung möglichst eng umgibt und dessen kolbenfernes Ende gasdicht verschlossen ist.