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Lichtquelle
Die Erfindung betrifft eine lichtstarke Lichtquelle mit einem verengten, parallelisierten elektrischen Lichtbogen.
Lichtstarke Lichtquellen werden für wichtige Aufgaben, insbesondere zur Projektion von Filmen, herangezogen. Dabei genügt nicht das blosse Vorhandensein einer Quelle mit hohem Gesamtlichtstrom, sondern die optischen Bedingungen des Projektionssystems lassen es wünschenswert erscheinen, dass dieses Licht von einer konzentrierten, relativ gleichmässigen Lichtquelle kommt.
Die wichtigste derzeit verwendete lichtstarke Lichtquelle ist der Kohlelichtbogen. Es ist auch bekannt, dass Lichtbögen in Xenongas ein weisses Licht äusserst hoher Leuchtdichte erzeugen. Daher hat man versucht, eine Xenonbogenlichtquelle zu entwickeln, welche für einige Zwecke den Kohlelichtbogen ergänzen oder sogar ersetzen kann.
Kürzlich ist ein Verfahren zur Erzeugung eines parallelisierten Lichtbogenplasmastrahles von hoher Wärmeintensität beschrieben worden, in dem ein zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden gebildeter Lichtbogen zusammen mit einem Gasstrom in einen verengten Kanal eingeführt wird, dessen Querschnittsfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche eines äquivalenten offenen Lichtbogens. Als geeignete Gase kamen hauptsächlich Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff sowie Mischungen derselben in Betracht. Infolge der Verengung vereinigen sich der Lichtbogen und der Gasstrom in dem Kanal und treten stark erhitzt aus, wobei das austretende Medium stromführend sein kann, aber nicht muss, je nachdem, ob die Elektroden auf derselben oder auf entgegengesetzten Seiten des verengten Kanals angeordnet sind.
Ein Lichtbogenbrenner mit einem Lichtbogen, der zwischen einer nicht verbrauchbaren Stabelektrode in einer Düse und einem benachbarten Wandteil der Düse gebildet wird, erzeugt ein nicht stromführende Medium das keinen Strom an den Körper abgibt, auf den es auftritt. Er ist als Lichtbogenbrenner ohne Stromübergang bezeichnet worden. Dagegen erzeugt ein Lichtbogenbrenner mit einem Lichtbogen zwischen einer inneren Stabelektrode und einem ausserhalb des Brenners stromabwärts von der Düse angeordneten Körper ein ausströmende Medium, das den vollen Strom an den Körper abgibt, auf dem es auftrifft ; er wird als Lichtbogenbrenner mit Stromübergang bezeichnet.
Es hat sich nun gezeigt, dass die von Lichtbogenbrennern dieser beiden Arten erzeugten inneren oder äusseren Lichtbogensäulen unter bestimmten Bedingungen als lichtstarke Lichtquellen verwendet werden können.
Erfindungsgemäss ist die lichtstarke Lichtquelle, bei der ein Lichtbogen zusammen mit einem Gasstrom in einen Kanal eingeführt wird, dessen Querschnittsfläche kleiner ist als die eines äquivalenten offenen Lichtbogens, so dass stromabwärts der Eintrittsöffnung des Kanals ein verengter Lichtbogen von hoher axialer Stabilität und Wärmekonzentration erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanal ein Edelgas mit einem Molekulargewicht über 39 eingeführt wird, so dass ein verengter Lichtbogen mit starker Lichtemission erzeugt wird, und dass ein axialer oder seitlicher Weg für den Austritt des erzeugten Lichtes geschaffen wird.
Für die Verwendung in der erfindungsgemässen Lichtquelle geeignete Gase sind Argon (Molekulargewicht 39,94), Krypton (Molekulargewicht 83, 70) und Xenon (Molekulargewicht 131, 3). Insbesondere wird Xenon bevorzugt, weil es das hellste Licht erzeugt, das dem reinen Weiss am nächsten kommt.
Die Lichtquelle nach der Erfindung kann mit einer nicht verbrauchbaren Stabelektrode realisiert wer-
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den, die in einer Düse mit einem verengten Austrittskanal angeordnet ist und deren Spitze sich in der Nähe der Eintrittsöffnung des verengten Kanals befindet, sowie einer stromabwärts von der Düsenöffnung angeordneten Gegenelektrode, wobei die Düse an einer Gasquelle angeschlossen ist und die Elektroden an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind und die Stabelektrode als Kathode und die Gegenelektrode als Anode dient.
Gemäss einer weiteren erfindungsgemässen Ausgestaltung ist diese Lichtbogeneinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine Sichtkammer, die in bekannter Weise dadurch gebildet wird, dass der Raum zwischen der Düse und der Gegenelektrode von einer mindestens teilweise durchsichtigen Wand umschlossen ist, mit einer Leitung zur Rückführung des von der Düse in die Kammer abgegebenen Gases zu der Düse versehen ist.
Der in dieser Lichtbogeneinrichtung vorhandene Gas-Rückführkreis ergibt dabei zwei Vorteile, nämlich erstens, dass er den Gasverbrauch auf den äusserst kleinen Ersatz des Verlustes beschränkt, und zweitens, dass er es ermöglicht, mit strömendem Gas unter erhöhtem Druck und somit bei erhöhterStromdurch- lässigkeit bzw. Lichtbildung des erfindungsgemäss verwendeten Gases zu arbeiten.
Der Lichtbogenbrenner mit Stromübergang erzeugt eine äusserst stabile lichtstarke Lichtbogensäule, deren Leuchtdichte über ihre ganze Länge verhältnismässig einheitlich ist. Dies ist anscheinend auf den wandstabilisierten verengten Lichtbogen zurückzuführen, der in diesem Brenner erzeugt wird, in dem das durch die Düse des Brenners in derselben Bahn wie der Lichtbogen strömende Gas trachtet, die Verengung der Lichtbogensäule auch nach dem Ende der Düse noch über eine gewisse Strecke aufrechtzuerhalten.
Der stromführende Gasstrom eines Lichtbogenbrenners mit Stromübergang kann bei seitlichem Lichtaustritt als Lichtquelle in Filmprojektoren oder für andere Zwecke verwendet werden, in denen eine relativ einheitliche Lichtquelle höchster Leuchtdichte erwünscht ist. Stirnseitig gesehen kann der stromführende Gasstrom, der mit einem Lichtbogenbrenner mit oder ohne Stromübergang erzeugt wird, in Fällen verwendet werden, in denen eine punktförmige Lichtquelle höchster Leuchtdichte gefordert wird.
Bei all diesen Verwendungen als Lichtquelle stellen die Stabilität des verengten Lichtbogens und das ausgedehntere Licht von höherer Leuchtdichte überraschende Vorteile gegenüber den bekannten Bogenlichtquellen und insbesondere gegenüber den bekannten Xenon-Lichtquellen dar.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 im Vertikalschnitt einen Teil einer erfindungsgemässen Lichtbogeneinrichtung und Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform in einer ähnlichen Darstellung. Fig. 3 stellt in einem Kurvenbild die Leuchtdichte über die axiale Ausdehnung der Lichtbogensäule dar. Die Fig. 4 und 5 zeigen weitere abgeänderte Ausführungsformen in der Fig. 1 und 2 ähnlichen Darstellungen. Fig. 6 zeigt vorwiegend im Vertikalschnitt eine verbesserte erfindungsgemässe Bogenlichteinrichtung und Fig. 7 eine abgeänderte Ausführungsform in einer ähnlichen Darstellung. Fig. 8 stellt im Kurvenbild die relative Leuchtdichte des in derselben Bahn wie der Lichtbogen strömenden Gases für verschiedene Drücke in der Lichtbogenzone dar.
Gemäss Fig. 1 ist eine Wolframelektrode 110 von 2,4 mm Durchmesser koaxial in einer wassergekühlten (Strömungsrichtung 111) Kupferdüse 112 von 4 mm Durchmesser angeordnet. Die Elektrodenspitze ist gegenüber der Düsenmündung 4, 8 mm zurückgesetzt. Argongas in einer Menge von 566 l/h strömt in der Richtung des Pfeiles 113 um die Elektrode herum und aus der Düse heraus. Mit Hilfe einer Stromquelle 117 wird ein Gleichstrom-Lichtbogen 114 zwischen der Elektrode 110 und einer wassergekühlten Kupferanode 116 gezündet und auf etwa 40 V und 100 A gehalten. Die Leuchtdichte des Lichtbogens unter diesen Bedingungen wurde bei Betrachtung in Richtung des Pfeiles 115 gemessen ; sie betrug 4380 Stilb. Diese Messung erfolgte durch Konzentration des Lichtes des Lichtbogens knapp unter der Düse auf ein Photometer.
Dann wurde die Stromstärke von 50 auf 200 A erhöht. In diesem Stromstärkebereich variierte die mittlere Leuchtdichte des Lichtbogens knapp unterhalb der Düse von 1710 bis 6550 Stilb.
Dieser Vorgang wurde mit Xenongas wiederholt, das in einer Menge von 424 l/h durch den Lichtbogenbrenner mit Stromübergang strömte. Die Leuchtdichte des Teiles des Lichtbogens knapp unter der Düse stieg von 17 800 auf 30400 Stilb, wenn die Stromstärke von 100 auf 200 A erhöht wurde.
Gemäss Fig. 2 ist ein Lichtbogenbrenner 123 mit einer Wolframelektrode 122 von 2, 4 mm Durchmesser, die koaxial in einer wassergekühlten (Strömungsrichtung 121-121a) Kupferdüse 124 von 3, 2 mm Durchmesser angeordnet und gegenüber der Düsenmündung um 3, 2 mm zurückgesetzt ist, in ein mit Xenon gefülltes Druckgefäss 126 eingesetzt, das ein Quarzfenster 128 hat. Zwischen der negativen Elektrode und einer wassergekühlten Kupferanode 132 wurde mit Hilfe einer Gleichstromquelle 133 ein Lichtbogen 130 von 100 A und (Strömungsrichtung 135 --135a) 21 - 38 A gezündet. Die Leuchtdichte des Lichtbo- gens wurde gemessen, indem ein Teil des durch das Quarzfenster austretenden Lichtes des Lichtbogens auf ein Photometer geworfen wurde.
Dann wurde der Xenondruck in dem Gefäss allmählich in gemessenen Stufen von dem atmosphärischen Druck auf einen Druck von 25, 3 atü erhöht. In diesem Druckbereich
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nahm die Spitzenleuchtiefe des Lichtbogens von 21900 Stilb auf 120000 Stilb zu. Man erkennt, dass zur Erzielung der höchsten Leuchtdichte das vorliegende Verfahren vorzugsweise mit einem Überdruck, insbesondere von 15 - 50 at, durchgeführt wird. Die Richtung des Gasstromes ist durch die Pfeile 134 - 134a angedeutet.
Einer der wichtigsten Vorteile des als Lichtquelle verwendeten Lichtbogens mit Stromübergang ist die über die Länge der Lichtbogensäule relativ einheitliche Leuchtdichte. Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse, die mit einem nicht verengten offenen Lichtbogen (Kurve 13 7) in Argon und einem argonumhüllten verengten Lichtbogen (Kurve 136) mit Stromübergang und unter ähnlichen Betriebsbedingungen erhalten wurden.
Die obigen Informationen wurden erhalten, indem man den in üblicher Weise mit einer Bogenlichtquelle erzeugten Lichtbogen von der Seite betrachtete.
Gelegentlich ist eine punktförmige Lichtquelle von höchster Leuchtdichte erforderlich, beispielsweise als Beleuchtungsquelle für mikroskopische Zwecke oder für die Schlierenphotographie. Dabei kann das Licht des Lichtbogens axial austreten. Mit dem Lichtbogenbrenner mit Strom übergang wird dies dadurch erzielt, dass man eine Anode verwendet, die in der Mitte ein Loch hat, durch welches das Licht austritt.
In dem nachstehenden Ausführungsbeispiel sind Angaben enthalten, die bei Verwendung von Argon- und Xenongas in einem Lichtbogenbrenner mit axialem Lichtaustritt erhalten wurden.
Gemäss Fig. 4 wird ein Lichtbogenbrenner verwendet, der aus einer Wolframelektrode 142 von 2, 4mm Durchmesser besteht, die koaxial in einer wassergekühlten (Strömungsrichtung 143-143a) Kupferdüse 144 von 3, 2 mm Durchmesser angeordnet ist. Die Spitze der Elektrode ist gegenüber der Düsenmündung 4, 8 mm zurückgesetzt. In einem Abstand von 3, 2 mm unterhalb der Brennerdüse ist eine scheibenförmige wassergekühlte (Strömungsrichtung 145-145a) Anode 146 angeordnet, die ein Loch 148 von 4, 8 mm Durchmesser hat. Argon in einer Menge von 566 l/h strömt durch den Brenner in der Richtung des Pfeiles 147 abwärts, während mit Hilfe der Stromquelle 141 ein Gleichstrom-Lichtbogen von 150 A und 34, 5 V aufrechterhalten wird.
Die Leuchtdichte des durch die Anodenöffnung austretenden Lichtes des Lichtbogens betrug bei Betrachtung in Pfeilrichtung 149 18 330 Stilb.
Der obige Versuch wurde mit Xenongas in einer Menge von 84, 9 l/h wiederholt, wobei der Brenner mit Gleichstrom von 200 A und 45 V betrieben wurde. Dabei betrug die Leuchtdichte des durch die Öffnung der Anode austretenden Lichtes des Lichtbogens 70 600 Stilb.
Man kann auch den Lichtbogen ohne Stromübergang als punktförmige Lichtquelle verwenden. In diesem Falle ist keine aussen angeordnete Anode erforderlich und es tritt das Licht des Lichtbogens axial durch die Brennerdüse aus.
Bei Verwendung als punktförmige Lichtquellen haben Lichtbögen mit oder ohne Stromübergang den Vorteil, dass sie ein Licht erzeugen, das stabiler ist und eine höhere Leuchtdichte hat als das von bekannten punktförmigen Lichtquellen.
Oft ist es erwünscht, eine durchsichtige nichtleitende Düse dazu zu verwenden, eine Lichtbogensäule über den grössten Teil ihrer Länge zu verengen, um die Ausnützung eines grösseren Teiles der Lichtbogenstrahlung zu gestatten und das Problem der Doppellichtbogenbildung zu beseitigen, das bei Verwendung von leitenden Düsen und starkem Verengungsgrad oft auftritt. Fig. 5 zeigt eine Lichtbogensäule 150, die in einem Wasserwirbelkanal erzeugt wird, der sowohl zur Verengung des Lichtbogens als auch zur Kühlung des umgebenden Führungsrohres 152 aus Quarz dient, durch das das Licht des mit Hilfe der Gleichstromquelle 151 erzeugten Lichtbogens austritt.
Die seitliche Leuchtdichte dieses mit einer Wasserwand 154 verengten Lichtbogens wurde bei Verwendung von Argon (Strömungsrichtung 153) und Austritt des Lichtes der Säule durch die Quarz-und Wasserwand bestimmt. Die Lichtbogensäule war etwas verengt und hatte bei 250 A eine Leuchtdichte von 8000 Stilb. Die innen wassergekühlte Kupferkathode 155 wird auch aussen durch den Wassersprühkegel156 gekühlt.
Die bekannten in Quarz dicht abgeschlossenen Bogenlichtquellen, beispielsweise Osramlampen, haben nur eine begrenzte Leistungskapazität, weil die gesamte Hitze des Lichtbogens über die ihn umgebende durchsichtige Hülle abgegeben werden muss. Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung wird durch die aussen erfolgende Rückführung des Lichtbobt : ngases zur Lichtbogenzone erzielt.
Das umwälzende Gas kann in einem wassergekühlten Anodendurchgang gekühlt werden, u. zw. er- wünschten Falles durch äusseren Wärmeaustausch. Auf diese Weise wird die von der, beispielsweise aus Quarz bestehenden, durchsichtigen Hülle abzuführende Wärmemenge beträchtlich herabgesetzt, so dass die Leistungskapazität einer Hülle von gegebener Grösse gegenüber den bekannten Lampen mit dicht abgeschlossenen Quarzhüllen etwa um den Faktor 3 vergrössert wird.
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Gemäss Fig. 6 ist die Lampe 6 mit einer wassergekühlten (Strömungsrichtung 10a - 10b) Stabkathode 10 versehen, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram besteht und koaxial in einer wassergekühlten (Strömungsrichtung lla) Kupferdüse 11 angeordnet ist. Die Anode 12 ist hohl und besteht ebenfalls aus wassergekühltem (Strömungsrichtung 12a) Kupfer. Zwischen der Kathode 10 und der Anode 12 wird mit Hilfe der Gleichstromquelle 201 ein Lichtbogen 13 gezündet. Gleichzeitig wird ein Edelgas in der gleichen Bahn wie der Lichtbogen geführt.
Das Gas tritt in die Lampe 6 über einen Eintrittskanal 14 ein, strömt durch einen die Kathode 10 umgebenden Ringraum 15 aufwärts, tritt mit dem Lichtbogen 13 durch die Öffnung der Düse 11, gelangt durch einen Hohlraum 16 in der Anode 12 und verlässt den Brenner über einen Austrittskanal 17. Der Eintrittskanal 14 und der Austrittskanal 17 sind über eine aussen angeordnete Rohrleitung 18 und das Ventil 19 miteinander verbunden. Der Kreislauf des Gases kann durch die Pumpwirkung des Lichtbogens und durch Konvektion aufrecht erhalten werden, doch kann man für diesen Zweck auch eine in der Leitung 18 angeordnete Pumpe 20 verwenden.
Die Lichtbogenzone ist von einer durchsichtigen Hülse 21 umgeben, die dazu dient, eine Druckkammer und eine Lichtaustrittsöffnung für die Bogenlichtquelle zu bilden. Diese Hülse besteht vorzugweise aus Quarz. Gegebenenfalls kann in der aussen angeordneten Rohrleitung 18 für das Gas ein Wärmetauscher 22 angeordnet sein, der Lichtbogenwärme von dem rückgeführten Gas abführt.
Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Einrichtung 8 gemäss der Erfindung mit einer Kathode 23, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram besteht und die an einen wassergekühlten (Sttömungsrichtung 24a - 24b) Elektrodenhalter 24 aus Kupfer angekümpelt ist, der in einer wassergekühlten (Strömungsrichtung 27a) Kupferdüse 27 angeordnet ist. Die Anode besteht aus einem Knopf 25, der vorzugsweise aus Wolfram besteht und mit einem wassergekühlten (Strömungsrichtung 26a-26b) Träger 26 aus Kupfer verschweisst ist.
Die Anode ist von einem wassergekühlten (Strömungsrichtung 41a) Kupferrohr 41 umgeben, das vorwiegend als Abschirmung dient, welche die Gasströmung um die Anode 25 führt und den Lichtbogen etwas verengt und stabilisiert. Zwischen der Kathode 23 und der Anode 25 wird mit Hilfe der Gleichstromquelle 202 ein Lichtbogen 28 gezündet und gleichzeitig wird in der Bahn des Lichtbogens ein ausgewähltes Edelgas geführt. Dieses Gas tritt durch die Einlassöffnung 29 in den Brenner ein, strömt in einem den Elektrodenhalter 24 und die Elektrode 23 umgebenden Ringraum 30 aufwärts und dann durch einen den Elektrodenhalter 26 umgebenden Ringraum 31 und aus der Austrittsöffnung 32 heraus, die mit der Eintrittsöffnung durch eine Rohrleitung 33 verbunden ist, welche mit einer Pumpe 34 für den Kreislauf des Gases versehen ist.
DieLichtbogenzone ist von einer durchsichtigen Quarzhülse 35 umgeben, die dazu dient, eine Druckkammer und eineLichtaustrittsöffnung für dieBogenlichtquelle zu bilden. Die durchsichtige Hülse 35 muss so starkwandig sein, dass sie den in ihrem Inneren herrschendenBetriebsdrücken gewachsen ist. Beispielsweise wurde eine Quarzhülse mit einer Wandstärke von 4,8 mm und einem Aussendurchmesser von 3. 8 cm bis zu etwa 50 at verwendet. Die Versteinung der Quarzhülle durch die Lichtbogenhitze und-Strahlung wird verhindert, indem die Hülse mit einer durchsichtigen Schutzhülle 36 umgeben wird, so dass ein Ringraum 37 geschaffen wird, durch den Wasser von der Eintrittsöffnung 38 zur Austrittsöffnung 39 geführt wird.
Die Hülse 36 kann aus jedem Material mit den gewünschten Durchlässigkeitseigenschaften für das gewünschte Licht bestehen, beispielsweise aus geschmolzener Silika (Quarzglas), Quarz oder normalem Fensterglas. Die ganze Lichtbogeneinrichtung 8 wird durch die Träger 40 zusammengehalten.
Als Arbeitsbeispiel für die in Fig. 7 gezeigte Einrichtung 8 sei angegeben, dass ein GleichstromLichtbogen von 125 A und etwa 65 V zwischen einer thorierten Wolframkathode von 2, 4 mm Durchmesser, die koaxial in einer wassergekühlten Kupferdüse von 3, 2 mm angeordnet war, und einer Wolframanode von 2, 4 mm Durchmesser erzeugt wurde, die in einer wassergekühlten Kupferdüse von 8 mm Durchmesser angeordnet war. Die Kathodenspitze war etwa 0, 8 - 1, 6 mm zurückgesetzt. Bei einer grösseren Zurücksetzung wurde die relative Gleichmässigkeit der Leuchtdichte über die Länge des freiliegenden Lichtbogens erhöht, dagegen infolge der teilweisen Abschirmung der Wirkungsgrad herabgesetzt.
Argongas in einer Menge von 2,83 m3/h wurde in der gleichen Bahn wie der Lichtbogen geführt und die Lichtbogenkammer unter einem Druck von 25 at gehalten. Die mit einem auf die Kathodendüsenmündung gerichteten Photometer gemessene Leuchtdichte des Lichtbogens betrug 128000 Stilb. Der Lichtbogen war äusserst stabil und hatte eine annähernd zylindrische Form.
Die relative Leuchtdichte des Lichtbogens wird erfindungsgemäss prinzipiell durch drei Massnahmen erhöht : Erhöhung der Stromstärke,. Erhöhung der durch den Brenner strömenden Gasmenge und Erhöhung des Druckes in der Lichtbogenkammer. Die Wirkungen der beiden letztgenannten Veränderlichen sind in Fig. 8 dargestellt. Die dargestellte Gasmenge ist die unter den angegebenen Druckbedingungen strömende Menge. Man kann in der Kammer jeden Überdruck verwenden, arbeitet jedoch vorzugsweise mit 15 bis
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50 at. In Fig. 8 entspricht die Kurve 225 PSI einem Druck von 15 at und die Kurve 375 PSI einem Druck von 25 at.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lichtstarke Lichtquelle, bei der ein Lichtbogen zusammen mit einem Gasstrom in einen Kanal eingeführt wird, dessen Querschnittsfläche kleiner ist als die eines äquivalenten offenen Lichtbogens, so dass stromabwärts der Eintrittsöffnung des Kanals ein verengter Lichtbogen von hoher axialer Stabilität und Wärmekonzentration erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanal ein Edelgas mit einem Molekulargewicht über 39 eingeführt wird, so dass ein verengter Lichtbogen mit starker Lichtemission erzeugt wird, und dass ein axialer oder seitlicher Weg für den Austritt des erzeugten Lichtes geschaffen wird.