DE3415327A1

DE3415327A1 - Rohrfoermige heizlampe hoher wirksamkeit

Info

Publication number: DE3415327A1
Application number: DE19843415327
Authority: DE
Inventors: Leonard Edward Solon Ohio Hoegler; Lee Walter Pepper Pike Ohio Otto
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-04-29
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1984-10-31
Also published as: GB2139341A; GB2139341B; JPS601751A; US4588923A; FR2545273A1; GB8409389D0

Description

Rohrförmige Heizlampe hoher Wirksamkeit

Die Erfindung betrifft hochwirksame rohrförmige Lampen mit . Wolframfaden, die besonders brauchbar sind als Heizlampen zum Strahlungserhitzen von Personen und als Heizlampen für industrielle Zwecke, die ausgewählte Abschnitte des IR- und des sichtbaren Spektrums emittieren, so daß sie Lampen für die Studioindustrie bilden, die eine Tageslichtfarbe haben sowie Lampen für verschiedene Anwendungen, die im wesentlichen nur IR-Strahlung emittieren.

Der Trend zu tieferen Temperaturen in Wohnungen und Büros während kaltem Wetter, bedingt durch die hohen Kosten von Brennstoffen und Heizung, hat die elektrischen Strahlungserhitzer wieder populärer gemacht. Beim Strahlungserhitzen bewegt sich die Wärme in Form von IR-Strahlung direkt von der Quelle zum Gegenstand oder einer Person, die erwärmt werden soll, ohne daß ein beträchtlicher Verlust durch die dazwischenliegende Luft auftritt. Wenn von dem Strahlungserhitzer emittierte Wärmestrahlung auf die Haut einer Person auftrifft, dann wird ein Teil der auftretenden Wärmestrahlung durch die Haut hindurch übertragen und tritt direkt mit den Nervenenden und den kleinen Blutgefäßen des Körpers in Wechselwirkung, und verursacht für die Person das Gefühl der Wärme. Die Heizwirksamkeit einer Wärmequelle, wie einer Strahlungs- oder Heizlampe, kann bestimmt werden durch das Verhältnis der Strahlungsmenge, die durch die Haut hindurchtritt, dividiert durch die von der Wärmequelle oder Lampe insgesamt emittierte Strahlung.

Es ist erwünscht, daß die vom Strahlungserhitzer emittierte Strahlung vorzugsweise hinsichtlich eines erwünschten Teiles des Strahlungsspektrums ausgewählt wird, so daß seine Auswirkung beim Auftreffen auf den menschlichen Körper im wesent-

lichen genutzt wird. Ein solcher erwünschter Teil des Strahlungsspektrums sind Wellenlängen von etwa 1,2 bis 1,7 lim.

Ein Strahlungserhitzer für den Gebrauch in Wohnhäusern kann in einem Raum angeordnet sein, wie einem Wohnzimmer mit einem Fernseher, in dem der sichtbare Teil des Strahlungsspektrums, das von dem Strahlungserhitzer emittiert wird, vom Fernsehen ablenken kann. Außerdem dient die vom Strahlungserhitzer emittierte sichtbare Strahlung keinem praktischen Zweck hinsichtlich des Erwärmens von Personen. Es wird daher als erwünscht angesehen, den sichtbaren Teil des üblicherweise vom Strahlungserhitzer ausgesandten Strahlungsspektrums beträchtlich zu reduzieren.

Zusätzlich zum Liefern von Strahlungswärme zum Erwärmen von Personen dienen Heizlampen verschiedenen Härtungsfunktionen für verschiedene industrielle Zwecke. So sind Heizlampen zum Härten oder Trocknen von klaren Kunststoffen, um diese klaren Kunststoffe in einer relativ kurzen Zeit zu härten, von primärer Bedeutung für die VerpackungsIndustrie.

Die für die industrielle Verwendung erwünschte Härtungsfunktion hängt teilweise von der Charakteristik des Mediums, wie dem Kunststoff, der zu härten ist, ab. So kann z. B. eine Art Medium rascher gehärtet werden, wenn es spezischen Teilen des Strahlungsspektrums ausgesetzt wird, während eine andere Art Medium rascher gehärtet werden mag, wenn es anderen Teilen des Strahlungsspektrums ausgesetzt wird. Der Industrie sollte daher eine Heizlampe zur Verfügung gestellt werden, bei der die Strahlung vorzugsweise an eine weite Vielfalt industrieller Prozesse angepaßt werden kann, wobei jeder dieser industriellen Prozesse in sehr wirksamer Weise ausgeführt werden soll.

Zusätzlich zu den Bedürfnissen der verschiedenen industriellen Prozesse und der Strahlungserhitzer ist es erwünscht, daß eine Lampe mit einer Strahlungsquelle vorzugsweise an verschiedene andere Verwendungen angepaßt ist, die kein effizientes Erhitzen

oder Härten benötigen. So ist es zum Beispiel von besonderer Bedeutung für die Bühnen- und Studiobeleuchtung, daß eine Lampe vorhanden ist, die eine Tageslichtfarbe im Bereich der korrelierten Farbtemperatur von 5500° Kelvin simuliert. Wegen der steigenden Energiekosten ist es wichtig, daß die simulierte Tageslichtfarbe in wirksamer Weise zur Verfügung gestellt wird.

Zusätzlich zu den vorgenannten vielfältigen Bedürfnissen hinsichtlich des Erwärmens von Personen, für industrielle Zwecke und für Bühnen- und Studiobeleuchtung sind weitere Arten von Strahlungswärme und ausgewählten Teilen des Lichtspektrums vorstellbar. So mag es erwünscht sein, eine Strahlungsquelle für IR-Photographie zu schaffen, die im wesentlichen die gesamte IR-Strahlung emittiert, während die von der Lichtquelle emittierte sichtbare Strahlung beträchtlich reduziert wird.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, (1) eine neue und verbesserte elektrische Strahlungswärmequelle oder -lampe zu schaffen, die in ausgewählten Teilen des Spektrums eine höhere Wirksamkeit hat als die bisher bekannten Lampen und mehr im besonderen eine Lampe zu schaffen, die zum Strahlungserwärmen von Personen wirksamer ist, (2) eine Strahlungswärmequelle zu schaffen, die eine Einrichtung aufweist, um sie an verschiedene Härtungsfunktionen anzupassen, die für verschiedene industrielle Zwecke erwünscht sind, und (3) eine Lampe zu schaffen, die eine Einrichtung aufweist, um Teile des infraroten und sichtbaren Strahlungsspektrums auszuwählen, die für verschiedene Studio-, Bühnen- und andere Arten von Anwendung emittiert werden sollen.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine hochwirksame Strahlungsquelle mit einer Einrichtung zum Auswählen eines erwünschten Teiles des Strahlungsspektrums, das durch die Strahlungsquelle emittiert wird, gerichtet, um sie an verschiedene Verwendungen

anzupassen, wie das Erwärmen von Personen, an industrielle Prozesse, wie Härten, und an andere kommerzielle Bedürfnisse.

In einer Ausführungsforin der vorliegenden Erfindung ist eine Lampe zum übertragen eines erwünschten Teiles des Strahlungsspektrums zum Auftreffen auf ein ausgewähltes Medium und zum Verhindern der übertragung eines unerwünschten Teiles des Strahlungsspektrums offenbart. Diese Lampe umfaßt einen strahlungsdurchlässigen Kolben und eine Strahlungsquelle, die einen Wolfram-Glühfaden zum Emittieren von Strahlung mit Wellenlängen sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Teil des Strahlungsspektrums umfaßt. Die Strahlungsquelle ist innerhalb des strahlungsdurchlässigen Kolbens angeordnet. Die Lampe umfaßt weiter einen reflektierenden Film auf der äußeren Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Kolbens. Der Film kann bei einer Temperatur im Bereich von bis zu einschließlich 950 C betrieben werden. Der Film filtriert die von der Lampe zu übertragende Strahlung. Er besteht aus einer Vielzahl von Schichten mit hohen und geringen Brechungsindices und aus hitzebeständigem Material, und er kann eine Durchlaßbandcharakteristik und eine Zurückhaltebandcharakteristik für den durch die Lampe zu übertragenden Strahlungsteil haben. Die Durchlaßband- und Zurückhaltebandcharakteristik werden für das jeweilige Medium ausgewählt, das von der durch die Lampe zu übertragenden Strahlung getroffen werden soll.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer langgestreckten Heizlampe in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Doppelspule des Mehrfachspulen-Konzeptes, das den Glühfaden der Fig. 1 umfaßt,

Fig. 3 eine spektrale LeJstungsverteilungskurve eines Strahlungserhitzers, der den Film der vorliegenden Erfindung nicht auf seiner äußeren Oberfläche aufweist, und

Fig. 4 eine spektrale Leistungsverteilungskurve eines Strahlungserhitzers gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem erfindungsgemäß verwendeten Film auf seiner äußeren Oberfläche.

Fig. 1 veranschaulicht eine Ausfuhrungsform einer Heizlampe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer vorzugsweisen Emission des infraroten Teiles des Strahlungsspektrums. Die Heizlampe umfaßt einen strahlungsdurchlässigen Kolben 10. Der Kolben 10 kann eine langgestreckte, rohrförmige Gestalt haben und aus klarem, geschmolzenem Quarz oder durchscheinendem, geschmolzenem Quarz oder einem quarzartigen Glas bestehen, wie dem von Corning Glass Works, Corning, New York, erhältliehenVycor, das etwa 96 % Quarz enthält. Obwohl Quarz als Material für den rohrartigen Kolben 10 angegeben ist, kann die vorliegende Erfindung auch mit einem glasartigen Kolben ausgeführt werden. Der rohrförmige Kolben 10 der Fig. 1 weist zwei Endstücke auf, die Erfindung ist aber auch mit rohrartigen Kolben mit einem Endstück ausführbar.

Der doppelendige Kolben 10 der Fig. 1 kann einen typischen Außendurchmesser im Bereich von etwa 7,9 bis etwa 9,5 mm und eine typische Wandstärke von etwa 1 mm haben. Jedes Ende des Kolbens 10 weist einen abgequetschten Abschnitt 12 auf, durch den sich eine Zuleitung 13 abgedichtet erstreckt, die durch eine dünne Zwischenfolie 14 mit einem anderen Zuleiter 15 verbunden ist, wobei der Folienabschnitt 14 in dem zugequetschten Abschnitt 12 hermetisch abgedichtet und eingebettet ist. Der Folienabschnitt 14 kann ein separates Molybdänstück sein, das jeweils an einem Ende der Zuführungsleiter 13 und 15 angeschweißt ist. Alternativ kann der Folienabschnitt 14 aber auch ein integraler Teil eines einzelnen Molybdändrahtes sein, der auch die Zuführungsleiter 13 und 15 einschließt. Der Folienabschnitt 14 kann im Falle eines integralen Folienabschnittes durch Längswalzen und Zusammenpressen des mittleren Abschnittes des Molybdändrahtes hergestellt werden. Weiter können für einen glasartigen Kolben 10 die Zuführungsleiter 13 und 15 aus einem einzelnen Stab bestehen, der keinen Folienabschnitt 14 aufweist, um ihn direkt in den Kolben 10 einzuführen.

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In dem Kolben 10 befindet sich ein mehrfacher, spiralförmig gewickelter Glühfaden 17 aus Wolframdraht, der sich axial durch den Kolben erstreckt. Der Faden 17 ist deutlicher in Fig. 2 als Mehrfachspule 17 gezeigt, die aus mehr als einer Drahtspule 17a, 17b besteht, die parallel zueinander gewickelt sind. Jede der Spulen 17a und 17b besteht aus Wolframdraht gleichen Drahtdurchmessers, und sie haben beide die gleiche Größe. Die Spulen 17a und 17b sind an ihren Enden elektrisch und mechanisch in einer geeigneten Weise mit den Zuleitungen 15 verbunden, zum Beispiel durch die bekannten "Einsatz"-Techniken (im Englischen "spudding techniques"). Der Faden 17 ist durch eine Vielzahl geeigneter Träger 18 in seiner Achse innerhalb des Kolbens abgestützt, die vorzugsweise Wolframspiraldrahtträger sind, wie sie in der US-PS 3 168 670 beschrieben sind.

Der Glühfaden 17 befindet sich unter ausreichender physischer Spannung zwischen den Zuleitungen 13, die an jedem Ende des Kolbens 10 angeordnet sind, um das Durchsacken des Fadens 17 zu verhindern, wenn er sich durch den fließenden Strom auf Betriebstemperatur erhitzt thermisch ausdehnt.

Im allgemeinen hat der Glühfaden 17 verschiedene Parameter, wie:

(1) einen Drahtdurchmesser D in 0,025 mm,

(2) eine aktive, leuchtende Drahtlänge L in mm,

(3) eine prozentuale Ganghöhe und

(4) einen prozentualen Dorn.

Die prozentuale Ganghöhe ist angegeben als: % Ganghöhe = Z/D : 100, (1)

worin Z der Abstand zwischen benachbarten Windungen des Fadens 17 und D der Durchmesser des Drahtes des Fadens 17 ist.

Der prozentuale Dorn ist angegeben als:

% Dorn = M/D : 100, (2)

worin M der Durchmesser des Spulendornes für den Faden 17 und D der Durchmesser des Drahtes des Fadens 17 ist.

Der Durchmesser D des Fadens kann einen Bereich von etwa 0,037 bis etwa 0,37 mm haben. Die aktive Länge L des Fadens 17 kann im Bereich von etwa 1000 bis 5000 mm liegen. Die prozentuale Ganghöhe des Fadens 17 kann im Bereich von etwa 120 bis 250 % liegen. Der prozentuale Dorn kann einen Bereich von etwa 250 bis 650 % haben.

Der Faden 17 hat auch die in Beziehung stehenden Parameter J. und ρ , wobei J, die gesamte Eingangsleistung, bezogen auf die Drahteinheitsfläche des Fadens 17 und ρ der spezifische Widerstand der Wolframspule des Fadens 17 bei einer gegebenen Strahlungswirksamkeit in Ohm-cm ist.
Der Parameter J, kann ausgedrückt werden als:

J = ^w (3)

worin W die gesamte an den Faden 17 gelegte Eingangsleistung in Watt ist und D und L die oben genannte Bedeutung haben.

Die Beziehung der Gleichung (3) kann auch ausgedrückt werden als:

^rc IX DL

worin Prc die Gesamtleistung ist, die vom Glühfaden 17 abgestrahlt wird und PIc die Gesamtleistungsverluste des Fadens sind.

Der spezifische Widerstand ρ kann ausgedrückt werden als:

ο = (V/I) TT D² ₍

/c 4L ^KO>

worin V die angelegte Spannung, I der fließende Strom ist und D und L die oben genannte Bedeutung haben.

Die Größen J, und ρ sind über einen weiten Bereich von Bete JC

triebstemperaturen des Glühfadens für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung experimentell bestimmt worden. Die Parameter J. und ο sind für einen spezifischen Film 20 und eine erwünschte Wirksamkeit für eine gegebene Anwendung aus-

gewählt, um die Ausbildung des Glühfadens zu spezifizieren. Die Größen J und ρ sind daher Funktionen (1) der Ausführungsform des Filmes 20, (2) die Geometrie des Glühfadens, (3) der Art des Füllgases, (4) des Füllgasdruckes und (5) der Leistungsverluste des Lampensystems.

Der Faden 17 befindet sich in dem Kolben 10 der Fig. 1, wobei der Kolben außerdem eine Füllung aus einem geeigneten Inertgas, wie Argon, enthält, das typischerweise bei einem Druck im Bereich von etwa 1330 bis etwa 400 000 Pa, gemessen bei Zimmertemperatur, vorliegt. Die Lampe enthält weiter eine geringe Menge eines Halogenids, wie eines Bromids, dessen Funktion darin besteht, einen regenerativen Zyklus ablaufen zu lassen, mit dem jegliche schwärzende Abscheidung von Wolfram von der Kolbenwand entfernt und wieder auf den Glühfaden abgeschieden wird. Vorzugsweise besteht das Füllgas aus Argon mit einem Bromidzusatz aus der Halogenidsubstanzfamilie, wie der Verbindung CH Br in einer Konzentration im Bereich von 0,01 bis 0,5 %.

Der Kolben 10 der Fig. 1 trägt einen Überzug 20, der als gestrichelte Linie an den Außenkanten der Lampe gezeigt ist. Der Überzug 20 ist von beträchtlicher Bedeutung für die vorliegende Erfindung und er bedeckt die äußere Oberfläche des Kolbens 10. Wie oben ausgeführt, sollte eine Lampe, wie die Heizlampe 10, eine Einrichtung aufweisen, um sie an die verschiedenen Anforderungen anzupassen, wie (1) als Strahlungserhitzer für Wohnbauten, wie zum Erwärmen von Personen, (2) als Heiζlampen für industrielle Prozesse, wie Härten, und (3) als Lampen, die einen erwünschten Teil des Strahlungsspektrums übertragen und, wenn erwünscht, ausgewählte Teile des Strahlungsspektrums vermindern. Die Einrichtung zum Anpassen der Lampen der vorliegen den Erfindung wird teilweise durch den Film 20 bereitgestellt, der aus verschiedenen Zusammensetzungen besteht, um für verschiedene Anwendungen geeignet zu sein. Die Auswahl der Parameter des Filmes 20 zusammen mit der Betriebstemperatur des Glühfadens 17 ergeben eine Lampe 10, die selektiv angepaßt ist

-η'

an die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen Heizlampen eingesetzt werden.

Im allgemeinen wirkt der Film 20 als Filter für die von der Lampe 10 emittierte Strahlung, so daß diese Strahlung an die verschiedenen Erfordernisse angepaßt wird. Weiter wirkt der Film 20 als Einrichtung zum Vermindern der von der Lampe 10 verbrauchten Wattzahl. Diese Verminderung der verbrauchten Wattzahl wird erreicht durch Reflektieren eines Teiles des Strahlungsspektrums, das für die Übertragung nach außen unerwünscht ist, zurück zum Glühfaden 17 der Faden, um dessen Betriebstemperatur in vorteilhafter Weise zu erhöhen. Dies vermindert die zum Erreichen der erwünschten Glühfadentemperatur erforderliche Leistungszufuhr.

Der Film 20 besteht aus hitzebeständigen Schichten hohen und niederen Brechungsindex, die so angeordnet sind, daß die Durchlaßband- und Rückhalteband-Charakteristika der emittierten Strahlung der Lampe eingestellt sind, wie noch beschrieben wird, Der Film 20, der für verschiedene Anwendungen verschiedene Zusammensetzungen hat, kann, wenn es erwünscht ist, die beiden Funktionen des Reflektierens ausgewählter Teile des Strahlungsspektrums, das von dem Wolframfaden emittiert wird, zurück zum Faden und des Begünstigens der ausgewählten Teile des sichtbaren Spektrums, die von der Lampe übertragen werden, auszuführen.

Der Film 20 hat eine hohe Betriebstemperatur im Bereich von bis zu einschließlich etwa 95O°C. Er kann reflektierend sein, wie in der ÜS-PS 4 229 066 als aus Tantalpentoxid Ta O₅ und geschmolzenem Siliziumdioxid SiO_ bestehend beschrieben ist.

Der Film 20 kann aus Stapeln abwechselnderschichten aus Tantalpentoxid und Siliziumdioxid zusammengesetzt sein. Wie in der US-PS 4 229 066 angegeben, ist das Tantalpentoxid ein Material mit hohem Brechungsindex in der Größenordnung von 2,0, während das Siliziumdioxid ein Material mit geringem Brechungsindex in der Größenordnung von 1,45 ist. Allgemein bedeutet ein Material

mit hohem Brechungsindex eines mit einem Brechungsindex von mehr als etwa 1,7, während ein Material mit geringem Brechungsindex eines mit einem Brechungsindex von weniger als etwa 1,7 bedeutet.

Der Film 20 kann aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Stapel bestehen, wobei jeder Stapel aus verschiedenen Dicken der Schichten der Materialien mit hohem und niederem Brechungsindex gebildet ist. Die Stapelanordnung des Films 20 kann den ersten, den zweiten und dann den dritten Stapel umfassen, wobei diese Reihenfolge neunmal wiederholt wird, so daß der Film 20 aus insgesamt 27 Schichten besteht. Die Stapelfolge des Films 20 ist in Übereinstimmung mit den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich auf Strahlungserhitzer bezieht, wie solche zum Erwärmen von Personen, ist der Film 20 aus Materialien, wie Tantalpentoxid und Siliziumdioxid, zusammengesetzt, die in Form eines vielschichtigen Filmes angeordnet sind. Bei dieser Ausfuhrungsform reflektiert der Film 20 einen Hauptteil der sichtbaren Strahlung des von dem Wolframfaden 17 emittierten Strahlungsspektrums, während er einen Hauptteil der infraroten Strahlung durchläßt bzw. überträgt. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich auf Strahlungserhitzer bezieht, kann besser gewürdigt werden, indem man zuerst einen Strahlungserhitzer mit den Eigenschaften der Fig. 3 betrachtet, der nicht die Vorteile der vorliegenden Erfindung hat und dann einen solchen Strahlungserhitzer mit einem Strahlungserhitzer vergleicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und die Charakteristika der Fig. 4 aufweist.

Die Fig. 3 zeigt eine Kurve 22 der spektralen Leistungsverteilung eines Strahlungserhitzers ohne den in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Film, wobei die jeweiligen Wellenlängen des Strahlungsspektrums in ihrer Leistungsverteilung gezeigt sind. Die Y-Achse der Fig. 3 zeigt die spektrale Leistungsver-

teilung in Watt, bezogen auf die Wellenlänge, während die X-Achse der Fig. 3 die Wellenlänge des Strahlungsspektrums in um wiedergibt. Die Kurve 22 der Fig. 3 zeigt die übertragene Leistungsverteilung, wie sie außerhalb der Lampe gemessen wird. Der Strahlungserhitzer der Fig. 3 hat eine Wolframfadentemperatur von etwa 2700° Kelvin.

Die Kurve 22 der Fig. 3 weist einen glatten, langsam ansteigenden Anfangsteil, einen Spitzenteil bei einer Wellenlänge von etwa 1 um und einen glatten, langsam abfallenden Endteil auf.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 deutlicher. Diese Fig. 4 ist hinsichtlich der Bedeutung der X- und Y-Achse ähnlich der Fig. 3. Die Kurve 24 der Fig. 4 unterscheidet sich jedoch stark von der Kurve 22 der Fig.- 3. Die Fig. 4 zeigt die Kurve 24 der spektralen Leistungsverteilung eines Strahlungserhitzers mit einer Faden-Betriebstemperatur von 3000° Kelvin und sie weist einen Anfangsteil aus abgebrochenen Zacken bzw. Spitzen auf, einen Spitzenteil bei einer Wellenlänge von etwa 1,2 um und einen scharf abfallenden Endteil. Die Kurve 24 der Fig. 4 zeigt, daß die untersuchte Ausführungsform des Strahlungserhitzers nach der vorliegenden Erfindung Rückhaltebänder in den Bereichen von etwa 0,35 bis etwa 1,2 um und etwa 1,7 bis etwa 2,6 um hat, während ein Durchlaßband sich im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,7 um erstreckt. Die Kurve 24 der Fig. 4 ist repräsentativ für die Rückreflektion eines Hauptteiles der sichtbaren Strahlung mit Wellenlängen im Rückhalteband von 0,35 bis 1,2 um zum Glühfaden, während der Hauptteil der infraroten Strahlung im Durchlaßband mit Wellenlängen im Bereich von 1,2 bis 1,7 um übertragen wird. Das Rückhalteband ist ein stark reflektierender Bereich der Charakteristik des Filmes 20. Der Teil der sichtbaren Strahlung, der durch den Film 20 nicht reflektiert wird, wird entweder durch den Film 20 übertragen oder absorbiert.

Ein Strahlungserhitzer mit den Charakteristika der Fig. 4 und ein Strahlungserhitzer mit den Charakteristika der Fig. 3 wurden

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durch Computermodelltechniken simuliert. Das Computermodell für den Strahlungserhitzer der Fig. 4 spezifizierte den oben erläuterten aufeinanderfolgend gestapelten Film 20, bei dem der erste Stapel eine Tantalpentoxid-Schicht mit einer Dicke von 83 nm und eine Siliziumdioxid-Schicht mit einer Dicke von 155 nm, der zweite Stapel eine Tantalpentoxid-Schicht einer Dicke von 372 nm und eine Siliziumdioxid-Schicht mit einer Dicke von 142 nm, sowie der dritte Stapel eine Tantalpentoxid-Schicht mit einer Dicke von 366 nm und eine Siliziumdioxid-Schicht einer Dicke von 245 nm aufwies. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung für einen Strahlungserhitzer mit einem Film 20, verglichen mit Strahlungserhitzern ohne den Film 20 sind in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt.

Tabelle I

Strahlungserhi tzer ohne Film 20

% d. Strahlung

Betriebstemp. Gesamt- im erwünschten

des Glüh- Lampen- leistung Spektrum von nutzbare fadens Verluste 1,2 - 1,7 um Leistung

27OO°K

133,9 W 1071,7 W

1,2 - 1,7 um 23,08

247,3 W

Strahlungserhitzer

mit Film 20 3000°K

140,5 W 1071,9 W

30,02

321,8 W

Der Tabelle I läßt sich entnehmen, daß durch die vorliegende Erfindung die Betriebstemperatur des Glühfadens von 27OO°K bei einem Strahlungserhitzer ohne den Film 20 auf 3000⁰K für einen erfindungsgemäßen Strahlungserhitzer mit einem Film 20 erhöht wird. Die Fadentemperatur von 27OO°K ist die optimale Betriebstemperatur für einen Wolframfaden ohne den oberzug, der die maximale Strahlungsmenge im erwünschten Wellenlängenband von 1,2 bis 1,7 um erzeugt, während unter Verwendung des Überzuges 20 die Betriebstemperatur von 3000⁰K für den Wolframfaden optimal ist, um die maximale Strahlungsmenge im erwünschten Wellenlängenband von 1,2 bis 1,7 um zu erzeugen. Aus der Tabelle I ergibt sich weiter, daß beide Strahlungserhitzer im wesentlichen die gleiche Gesamtleistungscharakteristik aufweisen. Durch Erhöhen

der Betriebstemperatur des Fadens unter Aufrechterhalten des Gesamtleistungscharakteristik wird die Lebensdauer des Strahlungserhitzers der vorliegenden Erfindung etwas verkürzt. Es ist bekannt, daß Lebensdauer und Fadentemperatur von Lampen miteinander in Beziehung stehen, so daß eine Erhöhung der Fadentemperatur eine Verminderung der Lebensdauer der Lampe verursacht, während eine Verminderung der Fadentemperatur die Lebensdauer der Lampe verlängert. Wenn erwünscht, kann die Betriebstemperatur des Fadens und somit die Lebensdauer der Lampe als Konstante aufrechterhalten werden. Erfolgt dies, dann ist der Gewinn hinsichtlich der Wirksamkeit bei der erfindungsgemäßen Lampe etwas geringer als wenn die optimale Fadentemperatur ausgewählt wird.

Der Parameter der prozentualen Strahlung im erwünschten Spektralbereich von 1,2 bis 1,7 um, bezogen auf das Strahlungsspektrum der Fig. 3 und 4, ist von beträchtlicher Bedeutung für die vorliegende Erfindung und dieser Parameter ergibt sich zu 23,08 % für den Strahlungserhitzer ohne einen Film 20, was 247,3 W nutzbarer Leistung zum Erwärmen von Personen entspricht, während der erfindungsgemäße Strahlungserhitzer mit einem Film 20 30,02 % erwünschter Strahlung abgibt, was einer nutzbaren Leistung von 321,8 W zum Erwärmen von Personen entspricht.

Der Anteil von 30,02 % beim erfindungsgemäßen Strahlungserhitzer mit einem Film 20 entspricht einem ungefähren Gewinn von 30 %, verglichen mit dem Strahlungserhitzer ohne einen Film 20. Der Gewinn von 30 % im Wellenlängenbereich von 1,2 bis 1,7 um des Strahlungsspektrums ist von beträchtlicher Bedeutung für Strahlungserhitzer, die diesen ausgewählten Teil zum besseren Erwärmen von Personen wünschen. Weiter wird dieses verbesserte Erwärmen dadurch ermöglicht, daß die zum Erwärmen nicht benötigte oder erwünschte sichtbare Strahlung zum Glühfaden zurück reflektiert wird. Diese reflektierte Strahlung erhöht die Betriebstemperatur des Glühfadens und verbessert die Wirksamkeit der Lampe.

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Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist besonders an industrielle Erfordernisse beim Trocknen von Papier angepaßt. Das Trocknen von Papier benötigt Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,86 bis 2,0 um, um das Papier zu erwärmen oder zu trocknen.

In ähnlicher Weise wie für den Strahlungserhitzer der vorliegenden Erfindung wurden Computermodelltechniken angewandt, um eine Heizlampe ohne einen Film 20, die zum Trocknen von Papier benutzt wurde, mit einer Lampe mit einem Film 20 zu vergleichen. In einer ähnlichen Weise, wie sie für die Computermodelltechnik des Strahlungserhitzers mit einem Film beschrieben wurde, spezifizierte das Computermodell für den Papiertrockner Tantalpentoxid-Schichten mit Dicken von 107 nm, 26 5 nm und 207 nm für den ersten, zweiten und dritten Stapel. In ähnlicher Weise hatten die Siliziumdioxid-Schichten Dicken von 188 nm, 170 nm und 155 nm für den ersten, zweiten und dritten Stapel. Der Film 20 zum Papiertrocknen war mit einem Rückhalteband im Wellenlängenbereich von etwa 0,4 bis 1,8 um spezifiziert, während ein Durchlaßband im Wellenlängenbereich von etwa 1,86 bis etwa 2,0 um spezifiziert war.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung für einen Papiertrockner mit einem Film 20, verglichen mit einem Papiertrockner ohne einen Film 20 sind in der folgenden Tabelle II zusammengefaßt.

	Betriebs- temp.	Tabelle II	Gesamt leistung	% der Strah lung im er wünschten Spek trum von 1,86 bis 2,0 /im	nutzbare Leistung
	22OO°K	Lampen verluste	513,5 W	3,91	20,1 W
Papier trockner ohne Film 20	25OO°K	110,0 W	513,5 W	5,15	26,4 W
Papier trockner mit Film 20	110,1 W

In einer wie für Tabelle 1 beschriebenen Weise hat der Papier-

mit
trockner in der Tabelle Il/dem Film 20 einen Gewinn von 31,7 % an erwünschten Wellenlängen im Bereich von 1,86 bis 2,0 Aim, wie sie für das Trocknen von Papier erwünscht sind, verglichen mit dem Papiertrockner der Tabelle II ohne den Film 20.

Eine weitere Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist speziell an die industriellen Erfordernisse der IR-Photographie und das Trocknen oder Abdichten von Zelluloseacetat (klarer Kunststoff) angepaßt. Die Erfordernisse der IR-Photographie und der klaren Kunststoffe machen eine Wellenlänge der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung von 2,2 bis 3,0 um erwünscht.

In einer Weise ähnlich der für Strahlungserhitzer und Papiertrockner beschriebenen, wurden Computermodell-Techniken dazu benutzt, um eine Heizlampe ohne Film 20 mit einer Heizlampe mit Film 20 zu vergleichen, die beide für IR-Photographie und klare Kunststoffebenutzt wurden. Für die IR-Phot-ographie und klare Kunststoffe spezifizierte das Computermodell Tantalpentoxid-Schichten mit Dicken von 137nm, 299 nm und 242 ran für den ersten, den zweiten und dritten Stapel. In ähnlicher Weise wurden Siliziumdioxid-Schichten mit Dicken von 207 nm, 219 nm und 190 nm für den ersten, zweiten und dritten Stapel spezifiziert. Für den Film 20 für IR-Photographie und klare Kunststoffe wurde ein Rückhalteband im Wellenlängenbereich von 0,4 bis 2,15/am und ein Durchlaßband im Wellenlängenbereich von etwa 2,2 bis 3,3/im spezifiziert. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung für eine Lampe für IR-Photographie und klare Kunststoffe mit einem Film 20, verglichen mit einer solchen Lampe ohne einen Film 20 sind in der folgenden Tabelle III angegeben.

34153:

- ιχ-

Tabelle III

Betriebs-

temp. des Lampen-Glühfaden Verluste

Lampe für IR-Aufnahmen und klare Kunststoffe ohne einen Film 20

193O°K

87,9 W

% der Strahllung im er- nutzwünschten Spek- bare Gesamt- trum von 2,2 Leileistung bis 3,0 yam stung

269,9 W 13,07 38,8 W

Lampe für IR-Äufnahmen und klare Kunststoffe mit einem Film 20

215O°K

90,9 W

297,5 W

16,2

48,3 W

In einer wie für die Tabellen I und II beschriebenen Weise hat die Lampe für IR-Photographie und klare Kunststoffe der Tabelle III mit dem Film 20 einen Gewinn von 24,1 % bei der Strahlung der gewünschten Wellenlängen von 2,2 bis 3,0 Aim, wie sie für IR-Photographie und klare Kunststoffe erwünscht ist, verglichen mit der Lampe IR-Photographie und klare Kunststoffe der Tabelle III ohne den Film 20.

In einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung
paßt der Film 20 die Lampe 10 an die Erfordernisse der Bühnen- und Studiobeleuchtung an. Der Film 20 ist so ausgewählt, daß er der Lampe 10 gestattet, eine etwaige Tageslichtfarbe mit einer
Farbtemperatur von 55OO°K zu übertragen. Der Film 20 wird so ausgewählt, daß er als Infratrot reflektierender Filter wirkt, um
ein Rückhalteband in einem Teil des sichtbaren Spektrums zu ergeben, so daß das von der Lampe abgegebene Licht eine scheinbare Farbtemperatur von etwa 55OO°K hat. Bei einer solchen Anwendung kann der Film 20 ausgewählt sein, so daß er aus Tantalpentoxid und Siliziumdioxid in einer Weise zusammengesetzt ist,

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die ähnlich der ist, die für den Strahlungserhitzer, den Papiertrockner und die Lampe für IR-Photographie beschrieben ist.

Die vorliegende Erfindung schafft, neben anderen Dingen (1) einen verbesserten Strahlungserhitzer zum Erwärmen von Personen, (2) eine verbesserte Lampe für industrielle Zwecke, wie das Trocknen von Papier, (3) eine verbesserte Lampe für IR-Photographie und zum Trocknen von klaren Kunststoffen und (4) eine verbesserte Lampe für verschiedene Studio- und Bühnenanwendungen. Bei der vorliegenden Erfindung werden Teile des Strahlungsspektrums, die für die Übertragung unerwünscht sind, wirksam genutzt, indem man sie zum Faden zurückreflektiert, um dessen Betriebstemperatur zu erhöhen und die Wirksamkeit der Lampe zu verbessern.

Claims

Patentansprüche

Lampe zum übertragen eines bestimmten Abschnittes des Strahlungsspektrums auf ein ausgewähltes Medium und zum Verhindern der Übertragung eines unerwünschten Abschnittes des Strahlungsspektrums,

g e k'e nnzeichnet durch: einen strahlungsdurchlässigen Kolben, eine Strahlungsquelle mit einem Wolframfaden zum Emittieren von Strahlung mit Wellenlängen sowohl im sichtbaren als auch IR-Abschnitt des Strahlungsspektrums, wobei die Strahlungsquelle innerhalb des strahlungsdurchlässigen Kolbens angeordnet ist,

einen reflektierenden Film auf der äußeren Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Kolbens,

wobei dieser Film bei einer Temperatur im Bereich von bis zu einschließlich etwa 95O°C betrieben werden kann und dieser Film die von der Lampe zu übertragende Strahlung filtriert,

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wobei der Film aus einer Vielzahl von Schichten aus hitzebeständigem Material mit hohem und geringem Index gebildet ist und dieser Film eine Durchlaßbandcharakteristik sowie eine Haltebandcharakteristik für den von der Lampe zu übertragenden Strahlungsteil aufweist und die genannten Charakteristika in vorbestimmter Weise für das zu bestrahlende Medium, das von der durch die Lampe zu übertragenden Strahlung getroffen werden soll, ausgewählt sind.
2. Lampe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsdurchlässige Kolben einen langgestreckten rohrförmigen Kolben aus glasartigem Material umfaßt, in dessen Enden sich Zuleitungen erstrecken, die abgedichtet eingeführt sind,

die Strahlungsquelle einen spulenförmigen Faden aus Wolframdraht umfaßt, der sich axial innerhalb des Kolbens erstreckt und an gegenüberliegenden Enden der Zuleitungen befestigt ist, wobei der Faden so bemessen ist, daß er bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1500 bis 3400 K betrieben werden kann,

der langgestreckte rohrförmige Kolben entlang der Länge des Fadens Träger mit Abstand zueinander aufweist, die sich gegen die Kolbenwandung abstützen, um den Faden zentriert zu halten,

wobei der Faden unter ausreichender Spannung steht, um ein zu starkes Durchsacken zwischen den Trägern zu verhindern, wenn der Faden auf seine Betriebstemperatur erhitzt ist,

der langgestreckte rohrförmige Kolben eine Füllung aus einem Inertgas und einer relativ geringen Menge eines Halogens enthält und

der langgestreckte rohrförmige Kolben einen reflektierenden Film auf seiner äußeren Obrfläche trägt, wobei der reflektierende Film eine derartige Durchlaßband- und Halteband-Charakteristik aufweist, daß ein Hauptteil des sichtbaren Abschnittes des Strahlungsspektrums, das von dem Wolframfaden emittiert wird, durch den reflektie-

renden Film zu dem Faden zurückreflektiert wird, während ein Hauptteil des von dem Faden emittierten infraroten Anteil des Strahlungsspektrums aus der Lampe austritt.
3. Lampe nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der spulenförmige Faden aus spiralförmig gewickeltem mehrfachen Wolframdraht zusammengesetzt ist, der sich axial durch den langgestreckten rohrförmigen Kolben erstreckt.
4. Lampe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Medium eine Gruppe von ein oder mehreren Personen ist und
der reflektierende Film umfaßt:

alternierende Schichten aus Tantalpentoxid Ta₃O₅ und Siliziumdioxid SiO₃, mit hohen und geringen Brechungsindices wobei die alternierenden Schichten ein aufeinanderfolgend gestapelte Anordnung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Stapel umfassen, wobei die Aufeinanderfolge 9 mal wiederholt wird, so daß insgesamt 27 gestapelte Schichten vorhanden sind und die aufeinanderfolgend gestapelten Schichten einen ersten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht mit einer Dicke von 83 nm und eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 155 nm, einen zweiten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht mit einer Dicke von 372 nm und eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 142 nm und einen dritten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht mit einer Dicke von 366 nm und eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 245 nm haben und die Durchlaßbandcharakteristik des reflektierenden Films im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,7 yum liegt und die Rückhaltecharakteristik Bereiche von etwa 0,35 bis etwa 1,2 -um und etwa 1,7 bis etwa 2,6 run hat.
5. Lampe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Medium Papier ist und der reflektrierende Film umfaßt:

alternierende Schichten aus Tantalpentoxid Ta₂O- und Siliziumdioxid SiO₂ mit hohem und geringem Brechungsindex die alternierenden Schichten eine aufeinanderfolgend gestapelte Anordnung aufweisen, die einen ersten, einen zweiten und dann einen dritten Stapel umfaßt, wobei die Reihenfolge 9 mal wiederholt ist, so daß insgesamt 27 gestapelte Schichten vorhanden sind und die aufeinanderfolgend gestapelte Schicht einen ersten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht einer Dicke von 107 nm und eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 188 nm, einen zweiten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht einer Dicke von 265 nm und eine Siliziumdioxidschicht einer Dicke von 170 nm und einen dritten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht einer Dicke von 207 nm und eine Siliziumdioxidschicht einer Dicke von 155 nm umfaßt,

wobei der reflektierende Film eine Durchlaßbandcharakteristik im Bereich von etwa 1,86 bis etwa 2,0 um und eine HaI-tebandcharakteristik im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 1,8 nm hat.
6. Lampe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Medium Zelluloseacetat ist und der reflektierende Film umfaßt:

alternierende Schichten aus Tantalpentoxid Ta₃O₅ und Siliziumdioxid SiO₂ mit hohem bzw. geringem Brechnungsindex, wobei die alternierenden Schichten eine aufeinanderfolgend gestapelte Anordnung aufweisen, die einen ersten, einen zweiten und dann einen dritten Stapel umfaßt, wobei die Reihenfolge 9 mal wiederholt ist, so daß insgesamt 27 gestapelte Schichten vorhanden sind und die aufeinanderfolgend gestapelten Schichten einen ersten Stapel mit einer

Tantalpentoxidschicht einer Dicke von 137 nm und eine Siliziumdioxidschicht einer Dicke von 207 nm, einen zweiten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht einer Dicke von 299 nm und eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 219 nm und einen dritten Stapel mit einer Tantalpentoxidschicht einer Dicke von 242 nm und eine Siliziumdioxidschicht einer Dicke von 190 nm aufweisen,

wobei der reflektierende Film eine Durchlaßbandcharakteristik im Bereich von etwa 2,2 bis etwa 3,0 um und eine Haltebandcharakteristik im Bereich von 0,4 bis etwa 2,15 um aufweist.
7. Lampe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Film Charakteristika aufweist, so daß das von der Lampe abgegebene Licht eine scheinbare Farbtemperatur von etwa 55OO°K aufweist.