DE102013107327A1

DE102013107327A1 - Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp

Info

Publication number: DE102013107327A1
Application number: DE102013107327.1A
Authority: DE
Inventors: Yukio Yasuda; Masaki Kato
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: US20140015404A1; CN103545167B; CN103545167A; TWI585818B; JP2014017134A; KR20140007747A; KR101689922B1; TW201403657A; DE102013107327B4; US8841843B2; JP5664602B2

Abstract

Eine Quecksilberlampenstruktur vom Kurzbogentyp enthält Hg und ein Edelgas, die in einer lichtemittierenden Röhre eingeschlossen sind. Als Edelgas ist Kr eingeschlossen. Es ist möglich eine inititale Strahlungsintensität auf dem gleichen Level, wie in dem Fall in dem Ar eingeschlossen ist, zu realisieren und einen plötzlichen Abfall der Strahlungsintensität zu verhindern, wenn die Lampe für eine lange Zeit leuchtet. Die Langlebigkeit der Lampe ist deutlich vergrößert im Vergleich zu einer Lampe bei der Ar eingeschlossen ist. Die Anode erfüllt die Formel 1 – r/(d0 × tanθ) ≥ 0,66, wobei r (mm) der Radius der vorderen Endfläche der Anode ist, θ(°) in einem axialen Querschnitt der Anode der Winkel zwischen der Elektrodenachse und dem konischen Bereich ist und d0 (mm) der Zwischenelektrodenabstand ist.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 10. Juli 2012 hinterlegten japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2012/154 208 , deren Inhalt hiermit durch Querverweis vollumfänglich in diese Anmeldung mit aufgenommen wird.
Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp und insbesondere eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, bei der Hg und ein Edelgas in einer lichtemittierenden Röhre eingeschlossen sind.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Typischerweise werden Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Hg und ein Edelgas eingeschlossen sind, als Lichtquelle eingesetzt, um Halbleiter, Flüssigkristallbildschirme (LCD) oder Ähnliches zu beleuchten.
Die offengelegte japanische Patentpublikation 2003-234083 (Patentdokument 1) offenbart Beispiele für solche Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, wobei jede so aufgebaut ist, dass sie jeweils Ar, Kr und Xe darin als Edelgas einschließen.
Entsprechend diesem Dokument wird angedeutet, dass bei Lampen, in denen die Edelgase unter demselben Druck eingeschlossen sind, wenn die Lampen unter gleichen Bedingungen brennen, die Lampe, in der Ar eingeschlossen ist, die höchste Strahlungsintensität des emittierten Lichts erreichen kann.
Kurz beschrieben, besteht der Grund, warum die Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Art des Edelgases variiert in den verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten der Gase. Da sich der Quecksilberbogen bei einer höheren Wärmeleitfähigkeit verengen kann, wird der Bogen verlängert und dabei erhöht sich die Stromdichte. Dies kann folglich zu einer Lichtquelle mit einer höheren Leuchtdichte führen. Die Reihenfolge der Wärmeleitfähigkeit ist Ar > Kr > Xe und die Strahlungsintensität auf einer bestrahlten Oberfläche erhöht sich in dieser Reihenfolge.
Mit Bezug auf die schematische Ansicht des Bogens in 7A und 7B wird die Größe eines Bogens von einer Lampe A, in der Ar-Gas eingeschlossen ist, verglichen mit der Größe eines Bogens einer Lampe B, in der Kr-Gas eingeschlossen ist. In der Lampe A, in der Ar-Gas eingeschlossen ist, erstreckt sich zwischen einer Kathode und einer Anode der Bogen leicht in die Richtung der Anode, aber seine Breite (Durchmesser) ist beschränkt. Entsprechend ist der Bogen verengt insbesondere verengt über dem vorderen Ende der Anode. Im Gegensatz dazu breitet sich in der Lampe B, in der Kr eingeschlossen ist, der Bogen, der sich von der vorderen Endfläche der Kathode kontinuierlich in Richtung der Anode auf. Entsprechend ist fast die gesamte Fläche der vorderen Endfläche der Anode, das heißt, ein breiterer Bereich, dem Bogen ausgesetzt.
Von diesem Standpunkt aus ist es typisch, dass in Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp aus dem Stand der Technik Ar eingeschlossen ist, um so eine hohe Leuchtdichte zu erreichen.
Allerdings kann bei Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Ar-Gas eingeschlossen ist, insbesondere bei Lampen in denen Ar unter einem positiven Druck von 0,25 MPa oder mehr eingeschlossen ist, die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität in manchen Fällen plötzlich absinken, wenn die Leuchtdauer eine bestimmte Zeit überschreitet, z.B. 1.500 Stunden.
Als die Erfinder den Grund für den plötzlichen Abfall bei der Strahlungsintensität der Lampe untersucht haben, wurde deutlich, dass kein Problem auftaucht, wenn die Lampe bei einem Lampenstrom von 150 A oder weniger brennt, aber der Abfall der Strahlungsintensität wurde signifikant, wenn der Lampenstrom 180 A oder größer war.
Bei der Lampe, bei der die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität abnahm, wurde wie in 8 gezeigt, beobachtet, dass sich konkave und konvexe Bereiche X auf der vorderen Endfläche der Anode formten. Als Grund hierfür wird angenommen, dass, der Bogen nur lokal an der vorderen Endfläche der Anode konzentriert wird, da der Bogen durch das Ar-Gas verengt ist, sodass sich die Stromdichte erhöht und das vordere Ende überhitzt, wodurch thermischer Stress generiert wird, der dann die vordere Endfläche der Anode deformiert.
Wenn das vordere Ende der Anode deformiert wird, konzentriert sich der Bogen auf den deformierten Bereich, wodurch sich die Überhitzung intensiviert. Durch die intensivierte Überhitzung verdampft Wolfram oder das Anodenmaterial, welches sich dann auf der lichtemittierenden Röhre absetzt, wodurch die Schwarzfärbung voranschreitet. Es wird angenommen, dass diese Serie von Phänomenen plötzlich voranschreitet, nachdem eine bestimmte Zeit vergangen ist, wodurch sich plötzlich die Strahlungsintensität reduziert.
Dieses Phänomen wird bei einer beliebigen Lampe, bei der Kr oder Xe statt Ar eingeschlossen sind, nicht beobachtet.
In anderen Worten, wenn es vorgesehen ist, lediglich die Langlebigkeit der Lampe zu erhöhen, ist es möglich, das Problem dadurch zu überwinden, dass ein Edelgas, z. B. Kr-Gas, verwendet wird, das eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Ar-Gas hat.
Jedoch ist es in diesem Fall, wie oben beschrieben, unmöglich, den Bogen in die verlängerte Form zu verengen wie in dem Fall wenn Ar verwendet wird. Dadurch kann eine hohe Strahlungsintensität auf der beleuchteten Oberfläche nicht erreicht werden. Dies führt zu einem anderen Problem, indem die ursprüngliche Strahlungsintensität, die benötigt wird, nicht erreicht werden kann.
[Dokument zum Stand der Technik]
[Patentdokument]

Offengelegte japanische Patentpublikation Nr. 2003-234083

Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung vor dem Hintergrund der oben genannten Probleme gemacht, die im Stand der Technik auftreten, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp bereitzustellen, bei der Hg und ein Edelgas in einer lichtemittierenden Röhre eingeschlossen sind und wenn Kr als Edelgas eingeschlossen ist, die ursprüngliche Strahlungsintensität auf dem gleichen Level wie in dem Fall, in dem Ar eingeschlossen ist, realisiert wird und ein plötzlichen Abfall der Strahlungsintensität, wenn die Lampe für einen langen Zeitraum brennt, verhindert wird und die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität auf einem hohen Niveau für eine lange Zeit realisiert wird.
Um das vorhergenannte Problem zu lösen, wird eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp bereitgestellt, bei der eine Kathode und eine Anode derart in einer lichtemittierenden Röhre angeordnet sind, dass die Kathode und die Anode einander gegenüberstehen und wobei Hg und ein Edelgas in der lichtemittierenden Röhre eingeschlossen sind, wobei die Quecksilberlampe dadurch gekennzeichnet ist, dass das eingeschlossene Edelgas Kr enthält, die Anode an einem vorderen Endbereich einen konischen Bereich hat und an dessen vorderen Ende eine ebene vordere Endfläche hat und die Anode die folgende Formel erfüllt: 1 – r/(d₀ × tanθ) ≥ 0.66, wobei r (mm) der Radius der vorderen Endfläche der Anode ist, θ (°) in einem axialen Querschnitt der Anode ein Winkel zwischen der Elektrodenachse und dem konischen Bereich ist und d₀ (mm) der Abstand zwischen der Kathode und der Anode ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es bei Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Kr als Edelgas eingeschlossen ist, unmöglich, eine hohe Stromdichte zu erreichen, weil der Bogen sich aufweitet, weil die Wärmeleitfähigkeit von Kr geringer ist, als die Wärmeleitfähigkeit von Ar. Jedoch erfüllt die Abhängigkeit zwischen der Konfiguration des vorderen Endbereichs der Anode und des Abstands zwischen der Anode und der Kathode die Formel r/(d₀ × tanθ) ≥ 0.66, wobei r (mm) der Radius der vorderen Endfläche der Anode ist, θ (°) in einem axialen Querschnitt der Anode der Winkel zwischen der Elektrodenachse und dem konischen Bereich ist und d₀ (mm) der Abstand zwischen der Kathode und der Anode ist. Dies ermöglicht es, die extrahierte Menge von emittierten Licht zu erhöhen, ohne den Bogen zusammenzuziehen, wobei eine ursprüngliche Strahlungsintensität auf dem gleichen Level oder höher, wie bei einer Lampe, in der Ar eingeschlossen ist, erreicht werden kann.
Zusätzlich ist, weil Kr als Edelgas eingeschlossen ist, die Aktivität, durch die der Bogen verengt wird, um die Stromdichte zu erhöhen im Vergleich zu Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Ar enthalten ist, reduziert. Es ist möglich, die Konzentration des Bogens auf das vordere Ende der Anode zu reduzieren und die Verdampfung von Wolfram oder des Anodenmaterials zu reduzieren, unter Verwendung der Funktion, in der der Bogen nicht verengt wird, wodurch verhindert wird, dass sich die Strahlungsintensität plötzlich reduziert.
Wie oben dargelegt, ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung auch möglich, wenn Kr als Edelgas eingeschlossen ist, eine Lampe zu produzieren, die eine gleiche oder eine höhere ursprüngliche Strahlungsintensität hat wie in dem Fall, wenn Ar eingeschlossen ist. Zusätzlich gibt es, weil die Anode eine bestimmte Konfiguration hat, keinen plötzlichen Abfall in der Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität und die Langlebigkeit der Lampe wird erhöht.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die oben genannten, sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den dazugehörigen Figuren besser verstanden, wobei
1 eine Ansicht der allgemeinen Konfiguration ist, die eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine partiell vergrößerte Ansicht ist, die eine Anode und eine Kathode zeigt;
3 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration zeigt, bei der der Durchmesser des vorderen Endes der Anode reduziert ist;
4 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration zeigt, in der der Winkel der Verjüngung der Anode erhöht ist;
5 eine Tabelle ist, die die sortierten Ergebnisse der Strahlungsintensität in der Anfangsphase und die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität der Lampe 1 bis Lampe 9 zeigt, die unter Variation der Form der Elektroden und der Art des eingeschlossenen Gases hergestellt worden sind.
6 eine Kurve ist, die die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität von einer Lampe entsprechend der vorliegenden Erfindung und einer Lampe eines vergleichenden Beispiels zeigt;
7A und 7B schematische Ansichten sind, die die Größe eines Bogens von einer Lampe, in der Ar eingeschlossen ist und die Größe eines Bogens einer Lampe, in der Kr eingeschlossen ist, zeigt und
8 ist eine schematische Darstellung ist, die eine modifizierte Konfiguration des vorderen Endes einer Anode einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp aus dem Stand der Technik bei dem Ar eingeschlossen ist zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung der gleichen oder ähnlicher Komponenten verwendet werden.
1 ist eine Ansicht der gesamten Konfiguration, die eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp 1 umfasst eine lichtemittierende Röhre 2, die aus einem transparenten Material gefertigt ist, z. B. einem Quarzglas. Die lichtemittierende Röhre 2 umfasst einen gewölbten lichtemittierenden Teil 3, der in deren zentralen Bereich geformt ist, und zylindrische eingeschlossene Teile 4 und 4, die sich in die nach außen gehende Richtung der beiden Enden des lichtemittierenden Teils 3 erstrecken. Zusätzlich sind Einspannvorrichtungen 5 und 5 mit den Enden der eingeschlossenen Teile 4 und 4 verbunden.
Zusätzlich sind in der lichtemittierenden Röhre 2 Hg und Kr und ein Paar von Elektroden eingeschlossen, die eine Kathode 6 und eine Anode 7 umfassen, die derart angeordnet sind, dass sie einander gegenüberstehen. Die Kathode 6 und die Anode 7 sind hauptsächlich aus Wolfram gefertigt und im Zentrum des lichtemittierenden Teils 3 in einem vor bestimmten Abstand voneinander beabstandet.
Hg ist ein lichtemittierendes Material, das ultraviolette (UV-Strahlung) emittiert, und das in einem Verhältnis von beispielsweise 0,8 bis 5,0 mg/cm² eingeschlossen ist.
Zusätzlich wird entsprechend der vorliegenden Erfindung Kr als eingeschlossenes Edelgas verwendet, welches bevorzugt mit 0,25 MPa (2,5 atm) oder größer eingeschlossen ist.
Da diese Quecksilberlampe mit einem reflektierenden Spiegel, der die Form einer konkaven Oberfläche hat, die Licht einfängt, eine Lichtquelleneinrichtung darstellt, wird Licht, welches von der Lampe emittiert wird, durch die Lenkung des reflektierten Lichts in Richtung eines optischen Systems gesammelt.
Jedoch ist, wie oben mit Bezug auf 7A und 7B beschrieben, in den Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp des Standes der Technik, in denen Ar eingeschlossen ist, und wenn das Edelgas lediglich durch Kr ausgetauscht wurde, der Bogen aufgeweitet. Deshalb nimmt, wenn die Lampe, wie oben beschrieben, auf einem optischen System montiert ist, die Menge der Strahlung, die sich dem Fokus des Spiegels annähert ab, wenn Licht von der Lampe in dem reflektierenden Spiegel gesammelt wird. Dies führt theoretisch zu einem Abfall der Effizienz der Lampe.
Jedoch hat entsprechend der vorliegenden Erfindung, das vordere Ende der Anode eine Konfiguration, welche vorher bestimmte Anforderungen erfüllt. Dadurch wird es möglich, Licht zu extrahieren, das von der Anode blockiert wurde und nicht benutzt werden konnte. Dies kompensiert folglich die Menge der Strahlung, die durch die Ausdehnung des Bogens durch die Verwendung von Kr als eingeschlossenes Gas reduziert wird. Entsprechend ist es möglich, das abgestrahlte Licht in einer Effizienz zu nutzen, die vergleichbar ist mit der einer bekannten Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, bei der Ar eingeschlossen ist.
Jedoch wird bei Quecksilberlampen von diesem Kurzbogentyp die vordere Endfläche des vorderen Endes der Kathode, das einen ausreichend kleineren Durchmesser als den der Anode hat, verwendet, um eine hohe Stromdichte und hohe Leuchtstärke zu produzieren. Zudem ist der Winkel der Verjüngung des vorderen Endes auch in einem Bereich von 40° bis 70° gewählt, welcher schmaler ist als der der Anode. Deshalb trägt eine Veränderung der Konfiguration der Kathode nur wenig zu einer Erhöhung in der Effizienz beim Benutzen bei. Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung gemacht, unter Berücksichtigung der Konfiguration der Anode und beabsichtigt, die Effizienz der Lichtausnutzung zu verbessern.
Eine genaue Beschreibung wird nachfolgend für die Konfiguration der Anode entsprechend der vorliegenden Erfindung gegeben.
2 ist eine partiell vergrößerte Ansicht, die die Kathode 6 und Anode 7 zeigt. Bei dieser Lampe hat die Anode 7 an dem vorderen Bereich einen konischen Bereich 7b und eine ebene vordere Endfläche 7a an dem vorderen Ende des konischen Bereichs 7b, das heißt, dem vorderen Ende der Anode 7. Die vordere Endfläche 7a ist derart angeordnet, dass sie der Kathode 6 gegenübersteht.
Allerdings wird die Distanz d₀ zwischen dem Paar der Kathode 6 und der Anode 7 in Abhängigkeit der Spezifikation, wie z. B. des Lampenstroms oder Ähnlichem bei dieser Art von Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, reguliert. Der Zwischenelektrodenabstand d₀ (mm) ist konstant für den gleichen Typ von Lampen.
Folglich ist die Konfiguration der Anode 7, die änderbar ist, unter Berücksichtigung der Dimensionen die Größe der vorderen Endfläche 7a der Anode, das heißt, der Radius r (mm) und der Winkel θ (°), im nachfolgenden als Steigungswinkel bezeichnet), der durch den konischen Bereich (die geneigte Fläche am vorderen Ende der Anode) 7b und die Achse L der Elektrode auf der axialen Querschnittsoberfläche definiert ist. Deshalb werden, wenn diese Bedingungen verändert werden, die Konfigurationen der Anode überprüft, bei der die Effizienz der Lampe, bei der Kr eingeschlossen ist gut wird, überprüft. Zusätzlich, beschreibt man den Steigungswinkel θ des konischen Bereichs 7b, wenn der Kreuzungspunkt zwischen der Elektrodenachse L und einem Segment der Linie A entlang der Erhöhung der ebenen Fläche 7b ist, als O bezeichnet wird, dann ist der Steigungswinkel der den Winkel der durch die Elektrodenachse L und dem Segment der Linie A über dem Kreuzungspunkt O als Scheitelpunkt definiert ist.
Zusätzlich ist in 2, wenn reflektiertes Licht in einem Bereich S (nachfolgend als imaginäre vordere Endfläche der Anode) vorhanden ist der durch Schraffierungen in der Form eines gleichschenkligen Dreiecks, das mit der vorderen Endfläche 7a der Anode als eine Basis und dem Kreuzungspunkt O der Elektrodenachse L und dem Segments der Linie A als eine Scheitelpunkt gezeigt ist, formt das reflektierte Licht einen Schatten des Körpers der Anode, wobei eine Lichtvignettierung erstellt wird und wird nicht nach außen emittiert. Dementsprechend kann das reflektierte Licht in diesem Bereich nicht genutzt werden. In anderen Worten ist es möglich, die Menge an Licht, welche von dem Bogen emittiert wird, zu erhöhen, durch Reduzierung des imaginären vorderen Bereichs S der Anode. Zusätzlich ist, obwohl diese Fläche S als ein flacher Bereich in der Figur dargestellt ist, diese ein konischer Bereich, der eine vordere Endfläche 7a als Basis, den Schnittpunkt O als Scheitelpunkt und die Achse L der Elektrode als eine Rotationsachse hat.
In 2 wird, der Abstand d₀, zur Summe aus der Distanz d des vorderen Endes der Kathode 6 zu dem Schnittpunkt O und der Distanz d₁ von dem vorderen Ende der Anode 7 zu dem Schnittpunkt O, wenn der Zwischenelektrodenabstand d₀ ausgedrückt wird durch Unterteilung dessen an dem Schnittpunkt 0 des Bereichs der Linie A und der Elektrodenachse L.. Die Distanz d₁ (mm) kann ausgedrückt werden durch eine Funktion des Radius r (mm) der vorderen Endfläche 7a der Anode: d₁ = r/tanθ.
Hierbei ist die Distanz d zwischen dem vorderen Ende der Kathode zu dem Schnittpunkt O eine imaginäre Zwischenelektrodendistanz, welche einen räumlichen Winkel Ω = 2πcosθ oder einen größeren Winkel erfüllt, indem Licht, welches vom Punkt O auf der optischen Achse emittiert wird, effizient genutzt werden kann, ohne an der Anode blockiert zu werden. Je größer das Verhältnis der imaginären Zwischenelektrodendistanz d zu der wirklichen Elektrodendistanz d₀ ist, umso größer ist die Menge an emittiertem Licht, welche theoretisch genutzt werden kann.
Die Zwischenelektrodendistanz d₀ ist d₀ = r/tanθ + d weil d₀ = d₁ + d. Hierbei ist das Verhältnis d zu d₀ der Distanz d von dem vorderen Ende der Kathode zu dem Schnittpunkt O zu der Zwischenelektrodendistanz d₀ durch die folgende Formel ausgedruckt: d/d₀ = 1 – r/(d₀ × tanθ) Formel 1, wobei r (mm) der Radius der vorderen Endfläche der Anode ist, θ der Steigungswinkel des konischen Bereichs der Anode zu der Elektrodenachse ist, d₀ der Abstand zwischen der Kathode und der Anode (Zwischenelektrodendistanz) (mm) ist und d die imaginäre Interelektrodendistanz (mm) ist, die einen räumlichen Winkel Ω = 2πcosθ oder größer erfüllt, indem Licht, welches von dem Punkt O auf der optischen Achse emittiert wird effizient genutzt wird, ohne durch die Anode blockiert zu werden.
Wie oben beschrieben ist es möglich, wenn die Dimension (Radius r) der vorderen Endfläche 7a der Anode und der Winkel θ zwischen dem konischen Bereich 7b und der Elektrodenachse L verschiedentlich geändert werden, während die Zwischenelektrodendistanz d₀ konstant ist, die imaginäre Zwischenelektrodendistanz d in 2 zu erzeugen, in welcher Licht das vom Punkt O auf der optischen Achse emittiert wird, effizient genutzt werden kann, ohne dass es durch die Anode 7 blockiert wird.
3 ist eine Modifikation der Konfiguration der Anode, wie sie in 2 gezeigt ist. Bei, der der Winkel θ₁ des konischen Bereichs 7b über der Elektrodenachse L weiter vergrößert wurde, ohne eine Änderung in dem Radius r (mm) der vorderen Endfläche der Anode durchzuführen (θ₁ > θ).
Natürlich beträgt auch in dieser Ausführungsform die imaginäre Zwischenelektrodendistanz d (mm), die zumindest einen Raumwinkel von Ω = 2πcosθ₁ erfüllt, in der Licht das von dem Punkt O auf der optischen Achse aus emittiert wird effizient genutzt werden kann, ohne durch die Anode blockiert zu werden, d = d₀ – (r/tanθ₁).
Was sichtbar wird, wenn die Anodenstruktur, die in 3 gezeigt ist, mit dem der Anodenstruktur, die in 2 gezeigt ist, verglichen wird, ist, dass die imaginäre Endfläche S der Anode reduziert wird, wenn der Winkel der Steigung θ₁ des konischen Bereichs in Bezug auf die Elektrodenachse L vergrößert wird. Dementsprechend kann die imaginäre Interelektrodendistanz d in einem größeren Verhältnis gebildet werden.
4 ist eine Modifikation der Konfiguration der Anode, die in 2 gezeigt ist, bei der der Radius r₁ (mm) der vorderen Endfläche der Anode weiter reduziert wurde (r₁ < r) ohne eine Änderung in dem Winkel θ des konischen Bereichs 7b.
Natürlich beträgt auch in dieser Ausführungsform die imaginäre Zwischenelektrodendistanz d (mm), die zumindest einen Raumwinkel von Ω = 2πcosθ erfüllt, in dem Licht das Punkt O auf der optischen Achse aus emittiert wird es effizient genutzt werden kann, ohne durch die Anode blockiert zu werden, d = d₀ – (r₁/tanθ).
Es wird deutlich, wenn die Anodenstruktur, die in 4 gezeigt ist, verglichen wird mit der Anodenstruktur in 2, dass die imaginäre Frontfläche S der Anode verringert wird, wenn der Radius r₁(mm) der vorderen Endfläche 7a der Anode verringert wird. Dementsprechend kann die imaginäre Interelektrodendistanz d (mm) in einem größeren Verhältnis gebildet werden.
Wie oben beschrieben, wurde auf Basis der Gestaltungskriterien der Anode, wie sie in 2 bis 4 gezeigt sind, für Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Kr eingeschlossen ist, der Radius r (mm) der vorderen Endfläche der Anode und die Größe (Bereich) des Winkels θ (°), der definiert ist durch den konischen Bereich 7b und die Elektrodenachse untersucht wo die ursprüngliche Strahlungsintensität im Vergleich zu den bekannten Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Ar eingeschlossen ist, wenigstens 100% beträgt.
Zusätzlich sind, um das oben beschriebene Verhältnis d/d₀ zu erhöhen, zwei Methoden bekannt. Diese beinhalten die Methode einer Erhöhung von θ und einer Reduzierung von r. Wenn θ = 90° oder r = 0 erfüllt ist, wird d/d₀ theoretisch 1, was das Maximum ist.
Jedoch wird bei einer tatsächlichen Lampe d/d₀ = 1 nicht erreicht. Der Grund hierfür ist wie folgt.
Mit Referenz zur 1 kann zunächst für den Neigungswinkel des konischen Bereichs 7b an dem vorderen Ende der Anode, wenn θ 70° oder größer ist, die Konvektion der Anode 7 innerhalb der lichtemittierenden Röhre 2 in der lichtemittierenden Röhre 2 nicht mehr nach oben gerichtet sein, da ein horizontaler Strom ein Hauptstrom ist. Deshalb neigt verdampftes Wolfram dazu, sich auf den zentralen Bereich, der lichtemittierenden Röhre (Lampe) 2 abzusetzen, wobei die Beständigkeitsrate der Intensität der Strahlung nachlässt.
In Bezug auf die Größe des Radius r (mm) des vorderen Endbereichs 7a der Anode tendiert die Elektrode als nächstes, wenn die Stromdichte der vorderen Endfläche 7a der Anode 10 A/cm² oder größer ist, zum Schmelzen. Dieses setzt sich folglich auf der lichtemittierenden Röhre 2 ab, wobei sich die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität verringert, wie empirisch bekannt.
Aus diesem Grund ist es notwendig, den Radius r und den Steigungswinkel θ des konischen Bereichs innerhalb einesoberen Limit auszuwählen, welches nicht von einem Bereich abweicht, der nutzbar ist für diese Art von Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp.
Deshalb haben die Erfinder ein Bestätigungsexperiment für eine Konfiguration durchgeführt, mit der eine hohe ursprüngliche Strahlungsintensität realisiert werden kann durch die Veränderung von Parametern in einem verfügbaren Bereich ohne den nummerischen Bereich der Anode zu verlassen, der empirisch festgelegt ist.
Die Spezifikation der Lampe, die in dem Bestätigungsexperiment verwendet wurde, wird nachfolgend dargestellt.
Lampenspezifikation (1)
Material der lichtemittierenden Röhre: Quarzglas
Material der Anode: Wolfram
Durchmesser des maximalen Durchmesserbereichs: φ40 mm
Zwischenelektrodenabstand: 8,5 mm
Eingangsleistung: 7,5 kW
Lampenstrom: 200 A
Hg-Dichte: 2,4 mg/cc
Sorte des Edelgases: Ar oder Kr
Eingeschlossener Druck (umgerechnet in positiven Druck): 0,46 MPa (4,5 atm)
Unter Verwendung der oben genannten Spezifikation wurden Lampen 1 bis 9 gefertigt, wobei durch die Sorte des Edelgases, der Radius r (mm) der vorderen Endfläche der Anode und der Steigungswinkels θ des konischen Bereichs des vorderen Endes der Anode variiert wurden.
Lampe 1 bis Lampe 5 sind Quecksilberlampen des Kurzbogentyps, wobei sämtliche Ar-Gas eingeschlossen haben.
Lampe 1 ist eine Lampe aus dem Stand der Technik, bei der der Radius r der vorderen Endfläche der Anode 6 mm beträgt und der Steigungswinkel des konischen Bereichs des vorderen Endes 60° ist.
Für Lampe 1 wurde d/d₀ produziert unter Verwendung der oben genannten Formel 1 und das Ergebnis war 0,59.
Danach wurden Lampe 2 bis Lampe 5 hergestellt unter Veränderung von r (mm), θ (°) und d/d₀, das heißt, 1 – r/(d₀ × tanθ) in der gleichen Weise, wobei die Ergebnisse der Bestätigung der ursprünglichen Strahlungsintensität und die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität in 5 dargestellt sind.
In 5 werden die ursprüngliche Strahlungsintensität der Lampen 2 bis 5 als relative Werte in Bezug zu der Intensität 100 der Lampe 1 dargestellt. Bezogen auf die Ergebnisse waren, mit Ausnahme von Lampe 5, die ursprünglichen Strahlungsintensitäten gleich oder größer als die von Lampe 1 und es gab keine Probleme für die ursprüngliche Strahlungsintensität der Lampen 2 bis 4.
Jedoch in Bezug auf die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität zeigten alle Lampen 1 bis 5 einen plötzlichen Abfall der Strahlungsintensität nach dem Vorbeigehen einer bestimmten Zeit und eine Langlebigkeit wurde nicht erreicht.
Als Nächstes sind die Lampen 6 bis 9 in 5 Quecksilberlampen des Kurzbogentyps, bei denen Kr als Edelgas eingeschlossen ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend wird die Untersuchung der Lampen 6 bis 9 beschrieben.
Die Konfiguration der Anode von Lampe 6 war dieselbe, wie die von Lampe 1 aus dem Stand der Technik, bei der Ar eingeschlossen ist. Im Speziellen war der Radius r der vorderen Endfläche 7a der Anode 6 mm und der Steigungswinkel θ des konischen Bereichs 7b des vorderen Endes war 60°. In Lampe 6 war d/d₀ 0,59, welches das Gleiche ist wie der von Lampe 1.
In Lampe 7 und 8 war der Steigungswinkel θ des konischen Bereichs des vorderen Endes der Anode 60°, was das Gleiche ist wie der von Lampe 1. Der Radius r der vorderen Endfläche hatte verschiedene Werte, das heißt, r war 3,5 mm in Lampe 7 und 5 mm in Lampe 8. In Lampe 7 und Lampe 8 waren die Werte für d/d₀ jeweils 0,76 und 0,66.
Lampe 9 wurde hergestellt durch Festlegung des Radius r der vorderen Endfläche auf 6 mm, was dasselbe ist wie der von Lampe 1, aber der Steigungswinkel θ des konischen Bereichs war 65°. In dem Fall von Lampe 9 war d/d₀ 0,67.
Ursprüngliche Strahlungsintensität
In Lampe 6 war die ursprüngliche Strahlungsintensität niedriger als die von Lampe 1, da Kr benutzt wurde und so dieselbe Strahlungsintensität nicht erreicht wurde. Dies belegt, dass wenn die Konfiguration der Anode dieselbe ist, eine ausreichende ursprüngliche Strahlungsintensität nicht erreicht werden kann, von einer Lampe, bei der Kr eingeschlossen ist, im Vergleich zu einer Lampe, in der Ar eingeschlossen ist.
In Lampe 7 war d/d₀ 0,76. Wie oben beschrieben, ist theoretisch die Menge von verfügbarem Licht im Vergleich mit der von Lampe 1 oder 6 vergrößert. In Bezug auf die tatsächlichen Ergebnisse lag die ursprüngliche Strahlungsintensität von Lampe 7 bei 103, als relativer Wert. Dementsprechend wurde eine Strahlungsintensität größer als die von Lampe 1 erreicht.
Auch in Lampe 8 war die ursprüngliche Strahlungsintensität 100 als relativer Wert und es wurde dieselbe Strahlungsintensität erreicht, wie bei Lampe 1.
Zusätzlich, war auch in Lampe 9 die ursprüngliche Strahlungsintensität100 als ein relativer Wert. Damit ist belegt, dass Lampe 9 dieselbe ursprüngliche Strahlungsintensität erreichen kann, wie die von Lampe 1.
Wie oben erwähnt, kann gewürdigt werden, dass die Lampen 7 bis 9 die gleiche ursprüngliche Strahlungsintensität erreichen können oder eine größere als Lampe 1 aus dem Stand der Technik.
Beständigkeitsrate derStrahlungsintensität
Danach wurde die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität verifiziert. In jeder der Lampen 6 bis 9, bei denen Kr eingeschlossen war, wurde kein plötzlicher Abfall der Strahlungsintensität beobachtet, auch nicht nach einer Zeitspanne 1.500 Stunden. Die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität verblieb auf einem hohen Niveau für eine lange Zeit im Vergleich mit den Lampen 1 bis 5, bei denen Ar eingeschlossen ist. Dieses Ergebnis bestätigt, dass eine lange Langlebigkeit erreicht werden kann.
Nach zusammenfassender Bewertung der oben gezeigten Ergebnisse kann gewürdigt werden, dass in Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp, bei denen Kr als Edelgas eingeschlossen ist, und wenn der Wert d/d₀ (das heißt 1 – r/(d₀ × tanθ)) 0,66 oder größer ist, die ursprüngliche Strahlungsintensität die Gleiche oder größer ist als die von einer Quecksilberlampe des Kurzbogentyps, bei der Ar unter demselben eingeschlossenen Druck eingeschlossen ist und dass die Beständigkeitsrate der Intensität der Strahlung auf einem hohen Level für eine lange Zeit verbleibt.
Nachfolgend wird eine Beschreibung eines Beispiels gegeben.
Lampenspezifikation (2)
Material der lichtemittierenden Rohre: Quarzglas
Material der Anode: Wolfram
Konfigurationsdimensionen:
Durchmesser des maximalen Durchmesserbereichs: φ35 mm
Radius r der vorderen Endfläche: 4,4 mm
Zwischenelektrodenabstand d₀: 7,5 mm
Eingangsleistung: 6,5 kW
Lampenstrom: 215 A
Hg-Dichte: 1,8 mg/cc
Art des Edelgases: Kr
Eingeschlossener Druck (umgerechnet in positiven Druck): 0,36 MPa (3,5 atm)
Steigungswinkel des konischen Bereichs: 60°
Bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp von einem Beispiel, welches nach den oben genannten Spezifikationen hergestellt wurde, war der Wert von d/d₀ (das heißt 1 – r/(d₀ × tanθ)) 0,66.
Die ursprüngliche Strahlungsintensität und die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität wurde gemessen.
Eine Lampe wurde als Lampe für ein Vergleichsbeispiel hergestellt durch Austausch des eingeschlossenen Gases von Kr in Ar bei einer Lampe nach einem Beispiel nach den Spezifikationen (2). Die Lampe brannte unter denselben Leuchtbedingungen und die ursprüngliche Strahlungsintensität und die Beständigkeitsrate der Strahlungsintensität wurden gemessen.
Die Ergebnisse, der Messung der Strahlungsintensitäten der Lampen, des Beispiels und der Lampe des vergleichbaren Beispiels sind in 6 dargestellt.
In einer Quecksilberlampe des Kurzbogentyps (gezeigt durch Δ in der Figur) von einem Vergleichsbeispiel nahm die Strahlungsintensität plötzlich um 30% der Strahlungsintensität ab, als die Leuchtdauer 1.500 Stunden überschritten hatte.
In derselben Zeit war es bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp (gekennzeichnet durch ein ∎ in der Figur) eines Beispiels nach der vorliegenden Erfindung, bei der Kr-Gas eingeschlossen ist, möglich, die ursprüngliche Strahlungsintensität zu erreichen, die grundsätzlich die Gleiche war, wie die vom Vergleichsbeispiel und die hohe Strahlungsintensität, die zumindest 70% der ursprünglichen Strahlungsintensität hatte beizubehalten, sogar nachdem die Leuchtdauer 3.000 Stunden überschritten hatte.
Wie oben beschrieben, ist bei einer Quecksilberlampe des Kurzbogentyps, wobei Kr als ein Edelgas eingeschlossen ist und das Verhältnisse d/d₀ (das heißt 1 – r/(d₀ × tanθ)) des imaginären Zwischenelektrodenabstands d in Bezug zu dem tatsächlichen Interelektrodenabstand d₀, 0,66 oder größer beträgt. Dementsprechend kann eine ursprüngliche Strahlungsintensität erreicht werden, die größer oder gleich ist, wie die von einer Lampe, bei der Ar eingeschlossen ist. Auch nach einer Leuchtdauer von mehr als 3.000 Stunden, zeigte die Strahlungsintensität keine plötzliche Abnahme und behielt immer noch eine hohe Strahlungsintensität bei, die zumindest 70% der ursprünglichen Strahlungsintensität hat. Eine lange Langlebigkeit, die zumindest doppelt so lang ist wie die Langlebigkeit der Lampen aus dem Stand der Technik, kann erreicht werden.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform in der vorliegenden Erfindung aus Erklärungsgründen offenbart wurde, kann der Fachmann erkennen, dass vielfältige Modifikationen, Ergänzungen oder Ersetzungen möglich sind, ohne den Rahmen und den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012154208 [0001]
JP 2003-234083 [0004, 0016]

Claims

Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, in der eine Kathode und eine Anode in einer lichtemittierenden Röhre derart angeordnet sind, dass die Kathode und die Anode einander gegenüberstehen und wobei Hg und ein Edelgas in der lichtemittierenden Röhre eingeschlossen sind, wobei das Edelgas Kr enthält, wobei die Anode an einem vorderen Endbereich einen konischen Bereich hat und an dessen vorderen Ende eine ebene vordere Endfläche hat, wobei die Anode folgende Formel erfüllt: 1 – r/(d₀ × tanθ) ≥ 0.66, wobei r (mm) der Radius der vorderen Endfläche der Anode ist, θ (°) in einem axialen Querschnitt der Anode ein Winkel zwischen der Elektrodenachse und dem konischen Bereich ist und d₀ (mm) der Abstand zwischen der Kathode und der Anode ist.