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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer dielektrische Barriere-Entladungslampe
mit einem Entladungsgefäß in koaxialer
Doppelrohranordnung, d.h. ein Innenrohr ist koaxial innerhalb eines
Außenrohrs angeordnet.
Dabei sind Innenrohr und Außenrohr
an ihren beiden Stirnseiten miteinander verbunden und bilden so
das gasdichte Entladungsgefäß. Der vom Entladungsgefäß umschlossene
Entladungsraum erstreckt sich also zwischen Innen- und Außenrohr.
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Diese
Art von Entladungslampen weist typischerweise eine erste Elektrode
auf, die innerhalb des Innenrohrs angeordnet ist und eine zweite
Elektrode, die auf der Außenseite
des Außenrohrs
angeordnet ist. Beide Elektroden befinden sich somit außerhalb
des Entladungsgefäßes. Es
handelt sich in diesem Fall also um eine zweiseitig dielektrisch
behinderte Entladung. Wenn im Folgenden der Einfachheit wegen gelegentlich
von der inneren Elektrode oder Innenelektrode und äußeren Elektrode
oder Außenelektrode
die Rede ist, so bezieht sich diese Bezeichnung folglich lediglich
auf die räumliche
Anordnung der betreffenden Elektrode bezüglich der koaxialen Doppelrohranordnung,
d.h. innerhalb des Innenrohrs bzw. auf der Außenseite des Außenrohrs.
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Anwendung
findet dieser Lampentyp insbesondere für die UV-Bestrahlung in der
Prozesstechnik, beispielsweise für
die Oberflächenreinigung
und -aktivierung, Photolytik, Ozonerzeugung, Trinkwasserreinigung,
Metallisie rung, und UV-Curing. In diesem Zusammenhang ist auch die
Bezeichnung Strahler oder UV-Strahler gebräuchlich.
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Die
koaxiale Anordnung zweier Rohre, z.B. aus Quarzglas, ermöglicht den
Bau von Lampen mit sehr großen
Längen.
Lange Lampen sind für
hohe Leistungen von Bedeutung, da die maximal in die Lampe einkoppelbare
Leistung mit der Länge
zunimmt. Allerdings bereitet das Anbringen der inneren Elektrode
bei langen Lampen, z.B. länger
als 1 m, sowie bei Lampen mit kleinem Innenrohrdurchmesser Probleme.
Einerseits soll die innere Elektrode fest an der Wand des Innenrohrs
anliegen, d.h. ohne durchzuhängen,
andererseits soll sie möglichst
leicht zu montieren sein. Dies Problematik verschärft sich noch,
wenn das Entladungsgefäß gebogen
ist, beispielsweise U-förmig.
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Eine
gattungsgemäße dielektrische
Barriere-Entladungslampe ist in der Schrift
DE 196 13 502 A1 beschrieben.
Es handelt sich dabei um einen Excimerstrahler mit einem geschlossenen
Entladungsraum, der als Ringspalt zwischen zwei koaxial zueinander
angeordneten Quarzglasrohren ausgebildet ist. Der Entladungsraum
enthält
ein unter Entladungsbedingungen Excimere bildendes Füllgas. Auf der
Außenseite
der Wand des äußeren Quarzglasrohres
ist eine Außenelektrode
in Form eines Netzes vorgesehen, während die innere Elektrode
durch eine an der Innenseite der Wand des inneren Quarzglasrohres
anliegende Drahtspirale gebildet wird. Aufgrund des relativ großen Abstands
zur Nachbarelektrode konzentrieren sich die Bereiche hoher Feldstärke auf
einem räumlich
kleinen Bereich und es kommt zu einem hohen Feldstärkegradient
an der Strahleroberfläche.
Dadurch kann es im Bereich der Drahtspirale leichter zu Filamentbildungen
kommen. Beim Anlegen einer Hochspannung zwischen den Elektroden
werden im Füllgas
des Entladungsraumes so genannte Excimere gebildet, die je nach
chemischer Zusammensetzung nicht kohärente, jedoch im wesentlichen
monochromatische UV-Strahlung abgeben. Bei dem bekannten Excimerstrahler
lässt sich die
Innenelektrode in Form der Drahtspirale jedoch nicht sehr einfach
montieren.
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Die
Strahlungserzeugung kann durch geeignete Wahl der elektrischen Betriebsweise,
wie in der Schrift
EP
733 266 B1 beschrieben, in Verbindung mit geeigneten Elektrodenanordnungen
effizienter gestaltet werden. Bei Anlegen einer negativen Hochspannung
am Innenleiter (Kathodenseite) bilden sich Δ-ähnliche
Entladungsstrukturen aus, deren Spitze auf der Kathodenseite liegt.
Durch Aufbringen einer geschlossenen Elektrodenfläche im Innenleiter
erreicht man eine im wesentlichen diffus leuchtende Entladung.
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Aus
der Schrift
EP 767 484
A1 ist eine Ausführungsform
einer dielektrischen Barriere-Entladungslampe bekannt, bei der die
Innenelektrode in Form eines Metallrohres mit einem in Richtung
der Strahlerachse verlaufenden Längsschlitz
ausgebildet ist. Zum Montieren der inneren Elektrode wird das geschlitzte
Metallrohr etwas zusammengerollt und dann in das Innenrohr eingeführt. Dadurch
wird ein festes Anliegen der inneren Elektrode an der Wand des Innenrohrs
erreicht, so dass die sich im Entladungsraumes zahlreich bildenden
Entladungsfilamente im wesentlichen homogen verteilt sind. Allerdings
neigen die Filamente bei vertikal orientierter Lampenachse dazu,
entlang dem Längsschlitz
zu wandern.
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In
der Schrift
DE 198 56 428 ist
als innere Elektrode ein Metallband spiralförmig eingebaut. Dies hat den
Vorteil, dass die Filamente homogen verteilt und auch bei senkrechtem
Einbau räumlich
fixiert sind. Nachteilig ist die immer noch nicht sehr einfache
Fertigung der inneren Elektrode. Außerdem treten auch bei der
Metallbandspirale abgegrenzte Bereiche in Erscheinung, wo die Entladungen
nahezu ausschließlich
stattfinden.
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Eine
andere Möglichkeit
ist das Aufbringen von leitfähigen
Beschichtung im Innern des inneren Rohrs. Auch dieses Verfahren
ist recht aufwändig,
da lange Trocken- und Einbrennzeiten benötigt werden.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dielektrische Barriere-Entladungslampe in koaxialer
Doppelrohranordnung mit verbesserter inneren Elektrode anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine dielektrische Barriere-Entladungslampe mit
- – einem
Entladungsgefäß, das
- – ein
Außenrohr
und ein Innenrohr umfasst, wobei
- – das
Innenrohr innerhalb des Außenrohrs
angeordnet ist,
- – das
Innenrohr und das Außenrohr
gasdicht miteinander verbunden sind, wodurch zwischen Innen- und
Außenrohr
ein mit einem Entladungsmedium gefüllter Entladungsraum gebildet
ist,
- – einer
ersten Elektrode und mindestens einer weiteren Elektrode, wobei
- – die
erste Elektrode innerhalb des Innenrohrs angeordnet ist,
dadurch
gekennzeichnet, dass
die erste Elektrode in der Form einer
elektrisch leitfähigen
Bürste
ausgebildet ist.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Ausgehend
von der eingangs beschriebenen dielektrischen Barriere-Entladungslampe ist
erfindungsgemäß die innere
Elektrode in Form einer leitfähigen
Bürste
ausgebildet, die z.B. durch Einweben von dünnen Metallfäden, den
Besatzdrähten
oder Borsten, in zwei ineinander verdrehte Metalldrähte, auch
Drehdrähte
genannt, ausgebildet ist. Dabei verlaufen die Drehdrähte in Achsrichtung
und die Besatzdrähte
in Borstenbüscheln
radial in Richtung der inneren Wand des Innenrohrs und berühren mit
den Spitzen das Innenrohr. Alternativ können die Besatzdrähte auch
in einen länglichen
axialen Träger
radial eingelassen sein. Jedenfalls wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen leiffähigen Bürste als
Innenelektrode eine sehr dichte und gleichmäßige Belegung der Strahlerinnenfläche mit
Einzelelektroden erzielt. Die homogene Entladungsstruktur bleibt
wegen der Vielzahl der möglichen
Entladungspunkte erhalten. Darüber
hinaus hat man aber noch den Vorteil einer geringfügigen lokalen
Feldüberhöhung, die
die Zünd- bzw.
Betriebsspannung verringert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die innere Elektrode als Rundbürste ausgebildet.
Die Rundbürstenelektrode
kann beispielsweise aus feinen Fäden
aus leitfähigem
Material bestehen (Borsten), die in zwei oder mehr spiralförmig aufgewickelte Trägerdrähte (Drehdrähte) eingewebt
sind. Mindestens einer der Drehdrähte ist elektrisch leiffähig. Die Borsten
sind im wesentlichen senkrecht zu den Drehdrähten ausgerichtet und winden
sich in Borstenbüscheln
spiralförmig
um die Drehdrähte.
Der Außendurchmesser
der Rundbürste
ist dabei ein wenig größer als
der Innendurchmesser des Innenrohres, um eine sichere Kontaktierung
zu gewährleisten.
Durch den größeren Außendurchmesser
der Bürste
im entspannten Zustand verglichen mit dem Innendurchmesser des Innenrohrs
ist ein Anliegen der Borsten bzw. feinen Metalldrähte, vorzugsweise
nicht nur mit deren Spitzen, gewährleistet.
Der Durchmesser im entspannten Zustand ergibt sich bei nicht eingebauter
Bürste.
Unter dem Außendurchmesser
wird dabei der maximale Durchmesser des Querschnitts senkrecht zur
Bürsten-Längsachse
verstanden. Durch das erwähnte
geringfügige
Anliegen der Borsten verringert sich auch der Effekt der unerwünscht übermäßigen lokalen
Feldstärkeüberhöhungen.
Die Spiralform der Innenelektrode verhindert ein unerwünschtes
Wandern der Entladungsfilamente sehr effektiv und zwar unabhängig von
der räumlichen
Orientierung der Entladungslampe. Die vorzugsweise elastische Verformbarkeit
der Rundbürste
erleichtert die Montage im Innenrohr. Darüber hinaus ist die so ausgebildete
innere Elektrode auch für
gebogene Innenrohre geeignet.
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Vorteilhafterweise
beträgt
der Abstand der Borsten innerhalb eines Borstenbüschels im entspannten Zustand
0,01 mm bis 1 mm. Je kleiner der Spalt zwischen den benachbarten
Borsten gewählt wird,
d.h. mit zunehmender Dichte der Borsten, umso homogener ist die
Entladung. Mit dichter werdendem Borstenabstand nimmt jedoch die
Verformbarkeit der Bürste
ab, was die Montage erschwert. Bevorzugt liegt der Abstand zwischen
0,05 mm und 0,2 mm.
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Besonders
bewährt
haben sich Borsten mit einem Durchmesser zwischen 0,005 mm und 0,5 mm,
vorzugsweise zwischen 0,02 mm und 0,2 mm.
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Als
günstig
im Hinblick auf ihre elastische Verformbarkeit haben sich Drehdrähte mit
Dicken zwischen 0,2 mm und 2 mm erwiesen.
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Als
Material sowohl für
die Drehdrähte
als auch für
die Borsten eignet sich vorzugsweise Edelstahl.
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Für Entladungslampen
mit gebogenem Innenrohr eignet sich die erfindungsgemäße in Form einer
Bürste
ausgebildete innere Elektrode besonders gut. Aufgrund ihrer Biegsamkeit
kann sich die erfindungsgemäße innere
Elektrode der Biegung des Innenrohres anpassen. Die Biegung kann
sowohl als Knick als auch als kontinuierliche Krümmung ausgeführt sein.
Als Beispiele wäre
eine kreisförmige,
halbkreisförmige,
bananenförmige
oder U-förmige
Krümmung
des Innenrohres zu nennen.
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Die
erfindungsgemäße innere
Elektrode verbindet einfache Montage mit einer gleichmäßigen Belegung
der Innenfläche
des Innenrohrs und folglich einer homogenen Entladung innerhalb
des Entladungsgefäßes. Außerdem lässt sie
sich einfach herstellen.
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Die
mindestens eine weitere Elektrode ist typischerweise auf der Außenseite
des Außenrohrs
angeordnet. Als Außenelektrode
kommen unter anderem sowohl netzartige als auch streifen- bzw. linienförmige Elektroden
in Betracht. Für
eine gerichtete Abstrahlung kann auf der Rückseite der erfin dungsgemäßen Lampe,
d.h. auf der Seite, die der für
die Lichtabstrahlung vorgesehenen Seite entgegengesetzt ist, ein
Reflektor vorgesehen sein, vorzugsweise aus Aluminium, der gleichzeitig
als Erdelektrode fungieren kann. Alternativ kann die erfindungsgemäße Lampe
in einen Metallblock, z.B. aus Aluminium, eingebettet sein, auch
mehrere Lampe nebeneinander. Bei dieser Variante fungiert der Metallblock
als Außenelektrode,
vorzugsweise auf Erdpotential. Zusätzlich kann eine Kühlung angeschlossen
sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
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1a eine
erfindungsgemäße Entladungslampe
mit einer rundbürstenförmigen inneren
Elektrode in einer Seitenansicht,
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1b eine
Querschnittdarstellung des Ausführungsbeispiels
aus 1a,
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2 eine
erfindungsgemäße Entladungslampe
mit einer segmentierten inneren Elektrode in einer Seitenansicht,
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3a eine
erfindungsgemäße Entladungslampe
mit einer halbrundbürstenförmigen inneren Elektrode
in einer Seitenansicht,
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3b eine
Querschnittdarstellung des Ausführungsbeispiels
aus 3a,
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4 eine
U-förmige
erfindungsgemäße Entladungslampe
mit einer rundbürstenförmigen inneren
Elektrode in einer Seitenansicht.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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Die 1a, 1b zeigen
in stark schematisierter Darstellung eine Seitenansicht bzw. eine Querschnittsdarstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen dielelektrischen Barriere-Entladungslampe 1.
Das längliche
Entladungsgefäß der Lampe 1 besteht
aus einem Außenrohr 2 und einem
Innenrohr 3 in koaxialer Doppelrohranordnung, die so die
Längsachse
des Entladungsgefäßes definieren.
Die Länge
der für
eine elektrische Leistungsaufnahme von 20 W ausgelegten dielelektrischen
Barriere-Entladungslampe 1 beträgt 20 cm.
Das Außenrohr 2 hat
einen Durchmesser von 40 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Das Innenrohr 3 hat
einen Durchmesser von 11 mm und eine Wandstärke von 1,2 mm. Beide Rohre 2, 3 bestehen
aus UV-Strahlung durchlässigem
Quarzglas. Außerdem
ist das Entladungsgefäß an seinen
beiden Stirnseiten derart verschlossen, dass ein länglicher, ringspaltförmiger Entladungsraum 4 gebildet
ist. Zu diesem Zweck weist das Entladungsgefäß an seinen beiden Enden jeweils
geeignet geformte, ringartige Gefäßabschnitte 5 auf.
Außerdem
ist an einem der Gefäßabschnitte 5 ein
Pumprohr (nicht dargestellt) angesetzt, mit Hilfe dessen der Entladungsraum 4 zunächst evakuiert
und anschließend
mit 15 kPa Xenon gefüllt
wird. Auf der Außenseite
der Wand des Außenrohrs 2 sind
parallel zur Längsachse
des Entladungsgefäßes insgesamt
acht gleichmäßig verteilte,
linienförmige
Außenelektroden 5 der
Breite 1 mm angeordnet. Im Inneren des Innenrohrs 3, d.h.
ebenfalls außerhalb
des durch das Entladungsgefäß umschlossenen
Entladungsraums 4, ist eine rundbürstenförmige innere Elektrode 6 angeordnet.
Die innere Elektrode 6 besteht aus einem axialen Trägerelement 7 (hier
nur vereinfacht dargestellt) und zahlreichen Borsten 8.
Das Trägerelement 7 ist
aus zwei miteinander verdrillten Edelstahldrähten (Drehdrähten), Durchmesser
jeweils 1 mm, gebildet (nicht dargestellt). In diese beiden Drehdrähte des
Trägerelements 7 sind
spiralförmig
entlang der gesamtem Länge
des Trägerelements 7 zahlreiche
Edelstahldrähte, Durchmesser
jeweils 0,06 mm, büschelweise
eingewebt, die radial zu dem Trägerelement 7 orientiert sind
und als Borsten 8 fungieren.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
wobei gleiche Merkmale wie in 1a, 1b mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die dort schematisch dargestellte
dielektrische Barriere-Entladungslampe 9 unterscheidet
sich von der in 1a, 1b dargestellten
Lampe lediglich dadurch, dass hier die innere Elektrode in fünf Segmente 10–14 unterteilt
ist. Innerhalb der Segmente 10, 12 und 14 ist
das Trägerelement 7 im
gesamten Umfang mit radial verlaufenden Borsten 8 versehen.
Diese Segmente 10, 12 und 14 wechseln
sich mit den Segmenten 11 und 13 ab, in denen
keine Borsten sind. Im Betrieb strahlt die Lampe 9 deshalb
vorzugsweise in Teilbereichen der Segmente 10, 12 und 14,
wohingegen sich in den Segmenten 11 und 13 keine
Entladung ausbildet.
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Die 3a, 3b zeigen
in stark schematisierter Darstellung eine Seitenansicht bzw. eine Querschnittsdarstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Auch hier sind gleiche Merkmale wie in 1a, 1b mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die dort schematisch dargestellte
dielektrische Barriere-Entladungslampe 9 unterscheidet
sich von der in 1a, 1b dargestellten
Lampe dadurch, dass hier die innere Elektrode nur halbzylindrisch
mit radialen Borsten 8 versehen ist. Außerdem ist die Außenseite
der Wand des Außenrohrs 2 halbschalenförmig mit
einer Außenelektrode 16 aus
Aluminium versehen, die sich entlang der gesamten Länge des
Außenrohrs 2 erstreckt.
Dabei ist die Außenelektrode 16 so
orientiert, dass sie der halbrundbürstenförmigen inneren Elektrode unmittelbar
gegenüber
steht. Dies bewirkt eine Vorzugsrichtung für die Abstrahlung. Die Außenelektrode 16 kann
beispielsweise aufgedampft, aufgeklebt oder aufgesteckt sein. Außerdem kann
die Außenelektrode auch
durch einen Metallblock gebildet sein, in den die Lampe teilweise
eingebettet ist.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel schematisch
dargestellt, bei dem das Entladungsgefäß und mithin das Innenrohr 17 und
das Außenrohr 18 U-förmig gebogen sind. Die erfindungsgemäße flexible
innere Elektrode 6 ist problemlos in der Lage, dieser Biegung
zu folgen. Außerdem
ist die innere Elektrode 6 aufgrund der Flexibilität sowohl
des Trägerelements
als auch der Borsten relativ problemlos in das Innenrohr einführbar.