DE1934267C - Hochdruck-Entladungslampe mit gekühlten Elektroden - Google Patents

Description

Die Hrliiulun« betrill't eine UoclKlruck-BnlUulimgH- kurzhogige I loehdruck-EntlaUungslaoipun mil lunger

lampe mit gekühlten Elektroden, bei der ziimin- Lebensdauer herzustellen,

desl eine der beiden Elektroden jeweils einen in Vorschlüge, die Elektroden und insbesondere die

Achsrichtung verlaufenden Zuführung*- und Abfüh- Anode durch Anordnung einer Kühlung vor (Jher-

riingskiinal für die Kiihlllüssigkeit enthält und diese 5 hilzung zu sehül/.en, sind bereits gemacht worden. So

Kanäle in dem der Entladung zugewandten linde ist aus der IJSA.-Patentschrift 3 366 814 bereits eine

der Hlektrode in einem Wtirmeaustauschraum mün- Hochdruck-Entladungslampe bekannt, hei der zuuiin-

den, dest eine der beiden Elektroden jeweils einen in Aclis-

Kohlenliehlbogenlampen sind bisher in Sonnen- richtung verlaufenden Zuftihrungs- und Abführungs-

siimilatoren für die Raumforschung benutzt worden, »u kanal für die Kühlflüssigkeit enthält und diese Kanäle

um Versuche hinsichtlich der Sonnenstrahlung im in dem der Umladung zugewandten Finde der Elek-

Wellriuim auszuführen, wo ein Vakuum herrscht, trade- in einem Wiirmeaustausehraum münden, Hei

oder in Lichtbogenofen, die für die Forschung an anderen Entladungslampen mit grkühlten Elektroden

luielilemperaturfeslen Werkstoiren benutzt werden, ragt ein als Kühlmitteleinlaß dienendes offenes Rohr

und Geräte zum Schmelzen temperaturbeständiger 15 in der Elcklrodenachse verlaufend in die Spitze der

Stolle mittels optischer Konzentration von Licht- oder hohl ausgeführten Elektrode hinein.. Bei einer wcitc-

Wärmcstralilung von Entladungslampen darstellen. ren gekühlten Elektrode wird ein flüssiges Kühlmittel

Kohlenlichtbogenlampeii haben den Nachteil, dall die in Dampfl'orm bei Verwendung von Druckluft in die

Elektroden in etwa 20 Minuten verbraucht sind und Elcktrodenspitze eingeführt.

immer wieder erneuert werden müssen. Des weiteren 20 Allen bekannten Entladungslampen mit gekühlten

verändert der Bogen ständig seine Lage, so dall mit Elektroden ist jedoch der Nachieil gemeinsam, dall

Kohlebogen sehr unangenehm zu arbeiten ist. Dem- gerade in der Mitte der Elektrodenspitze eine

zufolge "haben kleine kurzbogige Hoelulruck-Ent- verminderte Kühlwirkung auftritt. Dieser Nachteil

ladungslampen, die Quecksilber oder ein Edelgas wie ist darin begründet, dall das in der Elektrodenachse

Xenon, Argon od. dgl. in einem unter Hochdruck 25 austretende Kühlmittel in der Elcktrodenspitze

stehenden Kolben enthalten, allmählich den Platz der umgelenkt wird, wodurch es an Strömungsgcschwin-

Kohlenbogcnlampen eingenommen und dringen we- digkeit und damit an Wärmeabfuhrvermögen ver-

gen ihi er einfachen Bedienbarkcit und ihrer Bogen- liert.

Stabilität immer weiter vor. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,

Mit dem G rößei werden der Anlagen steigerte sich 30 eine Hochdruck-Entladungslampe der eingangs i>ein den letzten Jahren die Forderung nach Entladung;;- nannten Bauart zu schaffen, die die Nachteile bekannlampen von höherer Leistung. Bis zur Gegenwart sind ter Vorschläge vermeidet und eine wirksame Wärmekur/bogige luftgekühlte Xenon-Entlaclungslampen mit abfuhr aus der Elcktrodenspitze gestattet,
einer maximalen Leistung von 3 kW entwickelt wor- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geden, die einige hundert Stunden in Betrieb sein kön- 35 löst, daß im Inneren des Wärmeaustauschraumes ncn. Es besteht eine wachsende Nachfrage nach gro- zwecks Vergrößerung des Wärmeabfuhrbereiclies der Ben Entladungslampen mit einer Leistung von 20,"."U), Elektrode und zur Steigerung der mechanischen 50 oder mehr kW. Festigkeit dieses Elektrodenendes ein eingekerbtes

Kurzbogige Entladungslampen der beschriebenen oder ausgekehltes Teil vorgesehen ist, dall eine

Bauart sind nicht frei von Nachteilen. So besitzen 40 Haupttrennwand rechtwinklig zur Längsrichtung des

beispielsweise kurzbogige Entladungslampen, die eingekerbten oder ausgekehlten Teiles in der Elcktro-

Xenon oder ein anderes Edelgas in den Kolben ent- denachse vorgesehen ist, wobei die Haupttreiiinvand

halten und nach denen die größte Nachfrage besteht, mit den konvexen Oberflächen des eingekerbten oder

bei Betriebsdrücken von 20 bis 30 at einen niedrigen ausgekehlten Teiles verbunden ist, und daß Ncben-

Potentialgradienten, so daß die Lampenspannung in 45 trennwände zu beiden Seiten der Haupttrennwand

der kurzen Enlladungsstrecke von etwa 10 mm nicht angeordnet sind, die mit den konvexen Oberflächen

über (Ί0 V ansteigt. Wird die Spannung stark über des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles in deren

diesen Betrag erhöht, so besteht die Gefahr einer Längsrichtung verbunden sind, wodurch Haupt- und

Lampenexplosion. Das macht es notwendig, eine nied- Nebentrennwändc gemeinsam einen schlangenförmi-

rige Spannung und einen hohen Strom zu benutzen, 50 gen Durchtritt für die Kühlflüssigkeit bilden,

wenn eine hohe Energie angelegt werden soll. Beträgt Bei der Ausgestaltung der Elektrodenkühlung nach

die Leistungsaufnahme der Lampe beispielsweise der Erfindung tritt nun das Kühlmittel nicht mehr in

20 kW und der Elektrodenabstand etwa 12 mm, so der Elektrodenachse in die Elektrodenspitze ein, son-

betragen Eigeusirom und Eigcnspannung der Lampe dem tritt aus einer hinsichtlich der Elektrodenachsc

400 bis 500 A sowie 50 bis 40 V. In Edelgas unter 55 seitlich verschobenen Austrittsöffnung aus. Auf diese

hohem Druck lint der von einem solchen Strom er- Weise wird in der EUektrodenspitze eine gleichmäßi-

zeugte Lichtbogen einen auf etwa Ii) mm Durch- gere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels er-

messer begrenzten Lichtbogen, und falls es sich um reicht, die eine raschere Wärmeabfuhr und damit eine

einen Gleichstrom handelt, so entsteht in einem klci- verbesserte Kühlwirkung bewirkt. Durch den ge

neu Abschnitt mit einem Durchmesser von etwa 60 schlängelten Kühlmitteldurchtritt nach der Erfindunj

IO mm am vorderen Ende der Anode ein Wärmever- wird außerdem die für den Wärmeaustausch zur Ver

lust, der etlichen kW entspricht. Die Anode neigt bei fügiing stehende Oberfläche vergrößert, so daß aucl

über etwa 200 A erzeugten Temperaturen zum hierdurch eine Steigerung der Kühlwirkung hervor

Schmelzen und verdampft bei erhöhten Teniperatii- gerufen wird.

ren, selbst wenn sie aus Wolfram besteht, welches fis Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in dei

■ausgezeichnete Leitfähigkeit für Wärme und Lleklii- Zeichnungen dargestellt und werden im folgende]

/iliit sowie die höchste I lilzebesländigkeit aller leinen näher beschrieben. Es zeigt

Mrinlli! !«-sitzt. Deshalb ist es schwierig gewesen, l^; i g. 1 A einen Längsschnitt durch eine lierkömm

liehe Hochdruck-Entladungslampe mil gekühlten Elektroden, iler ücreti Kolhenteil zeigt,

Fig, 11) einen Schnitt nach der Linie l-l in Fig. ΙΛ,

Fig, 2Λ einen Liingsschnitt durch ein« weitere herkömmliche Hochdruck-Entladungslampe mit gekühlten Elektroden, der eieren Kolbenteil zeigt,

Fig. 2B einen Schnitt nach der Linie H-II in Fig. 2A,

Fig. 3 einen Liingsschnitt durch eine weitere herkömmliche Uoclulruck-Hnlladungslanipe mit gekühlten Elektroden, der deren Kolbenteil zeigt,

F i g. 4 einen Teilsehnitt des Anodenbereiches der in F i g, 3 dargestellten Ausführung,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in F i g. 4,

Fig. (ΊΛ einen von vorn gesehenen Liingsschnitt durch eine Ausführung nach der Erfindung,

Fig. 6 B einen von der Seite gesehenen Liingsschnitt durch eine Ausführung nach F i g. ft A,

F i g. 7 einen Teilsehnitt durch den Anodenbereich der in F i g. 6 A und 6 Ii gezeigten Ausführung,

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIU in F i g. 7,

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in F i g. 7,

Fig. K) einen Schnitt nach der Linie X-X in F i g. 7,

Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie XI-XI in F i g. 7,

Fig. 12 einen Schnitt entlang der Linie XII-XlI in Fig. 7,

Fig. 13 eine erläuternde Darstellung der Hochdruck-Entladungslampe mit gekühlten Elektroden nach der Erfindung.

Die Fig. IA. IB und 2A und 2B sind erläuternde Darstellungen herkömmlicher Hochdruck-Entladungslampen mit gekühlten Elektroden. 1 bezeichnet einen Quarzkolben; 2 und 3 bezeichnet jeweils eine Anode und eine Kathode, die einander gegenüberliegend in dem Quarzkolben 1 angeordnet sind; 4« und 4b bezeichnen Kühlflüssigkeitszuführrohre, die jeweils im Inneren der Anode 2 und der Kathode 3 angeordnet sind; Sa und 5 b bezeichnen Kühlflüssigkeitsabführrohre, die jeweils zwischen der äußeren Wandung des Zuführrohres 4 a und der inneren Wandung der Anode 2 sowie zwischen der äußeren Wandung des Zuf üh rrohres4b und der inneren Wandung der Kathode 3 ausgebildet sind; 6 bezeichnet eine KühlflüssigkeitsauslaßölTnung, die in der Mitte des vorderen Endes des Kühlflüssigkeitszuführrohres 4 a ausgebildet ist. Bei diesem Typ von Entladungslampen fließt das Kühlwasser entlang der inneren Oberfläche des vorderen Endes der Anode 2 und wird durch die Mitte des vorderen Anodenendes in das Abführrohr 5« geleitet.

Es hat sich herausgestellt, daß verschiedene WerkstofTfragen zu lösen sind, wenn der an eine Lampe des beschriebenen Typs angelegte Strom gesteigert werden soll. Jeder Werkstoff hat seine ihm eigene, natürliche Wärmeleitfähigkeit, und die maximale Temperatur, der der Hitze erzeugende Teil einer Elektrode zu unterwerfen ist, soll :e unterhalb der Schmelztemperatur ihres Werkstoffes liegen. Die Verdampfungs- und Niederschlagsratc der ElektrodcnwerkstolTe schwankt während der einigen hundert Betriebsstunden in Abhängigkeit vein den WerkstolTcn.

Wird beispielsweise der Dampfdruck der ElektrodenmaUrialien unterluilb etwa Ki"¹ bis IO ■·*· Torr gehalten, um eine erwünschte Verdampfung- und Niederschlagsrate zu erzielen, so ist es notwendig, die maximale Betriebstemperatur '/',„„ ν der Elektrode auf einer Höhe zu halten, die durch das verwendete Material bestimmt ist. Wird die (irenzlemperalur '/'„, mit Hilfe einer Klihlllüssigkcit bei etwa K)O¹¹C gehalten, so liegt eine maximale Wärmemenge CW* vor, welche in einer Einheitsslunde durch das vordere ElektrodenciiUu durchtreten kann, falls der Durehtritlsc|uersehniii konstant gehalten wird. Die maximale Wärmemenge ίο Q_11111x kann durch die Formel

Qmux '" '· < I' max

ausgedrückt werden, worin / die Dicke des vorderen Eleklrodcnendes, ,v die Fläche des vorderen Eleklrodenendes und ;. die Wärmeleitfähigkeit der Elektrode darstellt.

so Werden die Materialien und der Lampendruck zwischen den Elektroden konstant gehalten, so ist es möglich, Q_11111x zu erhöhen, wenn, nicht die Dicke / des vorderen Elektrodenendes verringert wird, da ;., s und T_11111x jedem Elektrodenwerkstoff eigentümliche Kon-

stauten sind. Soll Schmelzen oder Verdampfen der Elektroden verhindert werden, so sollte das vordere Ende der Elektroden, ob aus Kupfer, Wolfram oder Molybdän, weniger als etwa 3 mm Dicke haben, falls der angelegte Strom in der Größenordnung von

20 kW und 400 A liegt. Sollen die Elektroden höheren Strömen widerstehen, so besteht eine der in jedem Fall notwendigen Voraussetzungen darin, die vorderen Elektrodenenden unterhalb einer Dicke von 3 lr.r.i so dünn wie möglich zu machen.

Zusammengefaßt sind es verschiedene, oben angegebene Gründe, die miteinander die Herstellung einer brauchbaren Entladungslampe mit hoher Eingangsenergie erschweren, wenn diese ohne das Risiko der Elektrodendeformation- oder -verdampfung bei einfacher, herkömmlich zwcidimcnsionaler Bauweise arbeiten soll.

Auf der anderen Seite erfährt die Elektrodenoberfläche bei Hochdruck-Entladungslampen eine Deformation auf Grund des sehr hohen Gasdrucks von mehreren Atmosphären im Entladungsraiim sowie eine Abnahme der mechanischen Festigkeiten des Werkstoffes auf Grund des Temperaturanstieges am vorderen Ende der Elektroden, solange die Lampe brennt. Dies hat zur Einführung zulässiger Mindestdicken für Werkstoffe zur Herstellung von flüssigkeitsgekühlten Elektroden bei herkömmlich zweidimensionaler Bauweise geführt. Es ist deshalb recht schwer gewesen, eine brauchbare flüssigkeitsgckühlte Hochdruck-Entladungslampe herzustellen, welche in stabiler Weise bei einem Strom von mehr als 400 A (mehr als 15 bis 20 kW) arbeitet, selbst wenn Kupfer, Wolfram oder Molybdän als Elektrodenmaterial verwandt wurden.

Selbst wenn die Anode 2 und die Kathode 3 einei

6u Entladungslampe direkt mit einer Flüssigkeit geki'ihli werden, hat der die Elektroden durchtretende Stroiv eine hohe Kenndichte an Lichtquellen, falls du Lampe auf hoher Spannung ist und hohe Leuchtstärke besitzt. Insbesondere wird die Flüche in de Mitte der Anode 2 von mehreren Millimetern Durch messer auf sehr hohe Temperatur gebracht. Zur Er höhiing der Wännclciifähiukeit der Anode 2 ist e deshalb crl'ouleilicli, die Dicke der Anode 2 so wei

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wie möglich zu verringern, ohne die mechanischen Festigkeiten zu mindern, und das Kühlwasser Wärme von der auf hohe Temperatur geheizten Anode 2 abführen zu lassen, so daß ein Schmelzen oder Verdampfen des Werkstoffs der den Bogen erzeugenden Anode 2 verhindert werden kann. In herkömmlichen Entladungslampen hat sich jedoch gezeigt, daß die Durchflußmenge an Kühlflüssigkeit durch den Mittelabschnitt der Anode abnimmt, weil, die KühlflüssigkeitsaustrittsöfTnung 6 des Kühlflüssigkeitszufülirrohres4« der Anode in der Mitte der inneren Wandung des vorderen lindes der Anode 2 angeordnet ist, wodurch die Wärmeleitfähigkeit verringert wird. Des weiteren neigt die Kühlflüssigkeit beim Durchtritt ladung zugewandten lindes der Anode 2 ausgebildet, in dem eine Anzahl von Auskehlungen oder !Einkerbungen angeordnet sind, die sich einander parallel c]uer zur Anode erstrecken. Eine sich rechtwinklig zur Längsrichtung des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles 7 und entlang der Achse der Anode 2 erstiekkende Haupttrennwand 11 ist mit den konvexen Oberflächen des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles? verbunden.

Zu beiden Seiten der Haupttrennwand 11 sind Nebentrennwände 12 angeordnet, die mit den konvexen Oberflächen des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles 7 in deren Längsrichtung verbunden sind. Die Hauptlrennwand 11 und die Nebentrennwände

durch diesen Abschnitt wegen der hier erzeugten gro- »5 12 bilden zusammen einen schlangenförmig!?!! Kühl-

ßcn Hitze zum Sieden, wodurch eine weitere Verminderung der Wärmeleitfähigkeit der Elektrode hervorgerufen wird. Dementsprechend neigte die Anode 2 dazu, bei relativ geringer Stromdichte zu verdampfen, flüssigkeitsdurchtritl, der in Pig. K) mit Pfeilen bezeichnet ist, wobei das eine Ende dieses Durchlritts jeweils mit einer Kühlflüssigkeitszufülmmg 8 und das andere Ende dieses Durchtritts mit einer Kühlflüssig-

was zum Dunkelwerden der Lampe und zu verkürzter 20 kcilsabführung9 verbunden ist.
Lebensdauer führt. . Mil Ausnahme der Kühlflüssigkcilszuführung und

Die obenerwähnten Nachteile können durch eine der Kühlfiüssigkeitsabführung in der Anode 2 sind

die anderen von der Haupttrennwand 11, den Nebcntrennwändcn 12 sowie der inneren Wandung der " ~ "

eine

Anordnung nach Fig. 2A und 2B vermieden werden, wobei die Austrittsöflnung 6 des innerhalb der Anode 2 angeordneten Kühlwasserzuführrohres 4a auf einer Seite des vorderen Endes der Anode angeordnet ist, so daß die Kühlflüssigkeit entlang der inneren Oberfläche des vorderen Endes der Anode 2 in das Kühlflüssigkeitsabführrohr 5« fließen kann. Diese Anode 2 umgebenen Teile von Deckplatten 14 bedeckt, so daß Räume 13 von geeigneter Größe entstehen.

Aus der oben gegebenen Beschreibung wird offensichtlich, daß die Verteilung des Kühlflüssigkcits-

Anordnung hilft die Abnahme der Durchflußgeschwin- 3° flusses in der Mitte des vorderen Endes der Anode 2

digkeil der Kühlflüssigkeit in der Mitte des vorderen Endes der Anode 2 zu verhindern und verhindert gleicherweise das Sieden der Kühlflüssigkeit in diesem Teil der Anode, so daß die Kühlflüssigkeit fortlaufend in wirksamer Weise die Mitte des vorderen Endes der Anode kühlen kann.

Bei den in F i g. 3 bis 5 dargestellten Ausführungen ist ein ausgekehltes oder eingekerbtes Teil 7 in den Wandungen im Inneren des vorderen Endes der fiüssigkci'.agekühltcn Anode 2 ausgebildet, in dem eine Anzahl Auskehlungen oder Einkerbungen angeordnet sind, die sich einander parallel quer zur Anode erstrecken, wobei ein Ende des ausgekehlten Teiles 7 mit einer Kühlflüssigkeitszufülirung 8 und das andere Ende des ausgekehlten Teiles 7 mit einer Kühlflüssigkcitsabführung 9 verbunden ist. Die Kühlflüssigkeitszufülirung 8 und die Abführung 9 werden durch die Wandungen der Elektrode sowie einer Scheidewand 10 gebildet, welche axial in der Mitte der Elektrode befestigt ist. Bei Hochdruck-Entladungslampen des obenerwähnten Aufbaus ist der Wärmcabfuhrbcrcich vergrößert, jedoch ist die Abmessung des auf hohe Temperatur erhitzten ausgekehlten oder eingekerbten Teilest, durch welches das Kühlwasser fließt, klein. Um die Ausbeute zu vergrößern, kann der Querschnitt durch Erhöhung dor Anzahl von Einkerbungen oder Auskehlungen des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles7 vergrößert werden, Die Herstellung derart aufgebauter Hochdruck-Entladungslampen ist jedoch schwielig.

Die vorliegende Erfindung dient der Verbesserung von Hochdruck-Entladungslampcn mi! gekühlten Elektroden. Die Erfindung wird im folgenden im HiUi(I der in den Fig. ft bis 13 dargestellten Ausfilhrtiinisfomien erlliulett.

Hei Hocliclruck-P.iilladimgsla.mpcn nach der Erfindung ist ein misfiukelillcs oder eingekeihtes Teil 7 in den Wandungen im Inneren des vorderen, der I11I-bei einer Entladungslampe nach der Erfindung, verglichen mit einer herkömmlichen Entladungslampe, bei denen nur ein eingekerbtes oder ausgekehltes Teil ausgebildet ist, gleichmäßiger ist, wodurch eine ausgezeichnete Kühlwirkung erzielt wird.

Da weiterhin der Kühlwasserdurchfluß in dem auf hoher Temperatur befindlichen vorderen Ende der Anode 2 um ein Mehrfaches langer dauert als in älteren Entladungslampen, wird die Kühlwassermcnge

erheblich verringert. So wird einsichtig, daß es die vorliegende Erfindung gestattet, den maximalen zulässigen Strom um das l,5fache gegenüber herkömmlichen Hochdruck-Entladungslampcn zu steigern.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hochdruck-Entladungslampe mit gekühlten Elektroden, bei der zumindest eine der beiden Elektroden jeweils einen in Achsrichtung verlaufenden Zuführungs- und Abführungskanal für die Kühlflüssigkeit enthält und diese Kanüle in dem der Entladung zugewandten Ende der Elektrode in einem Wärmeaustauschraum münden, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Wärmeaustauschraumes zwecks Vergrößerung des Wärmcabfuhrbcreichcs der Elektrode und zur Steigerung der mechanischen Festigkeit dieses F.leklrodcnendcs ein eingekerbtes oder ausgekehltes Teil (7) vorgesehen ist, daß eine Haupttiennwiiiul(ll) rechtwinklig zur l.unjjsiiehttmg des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles in der lilekliodeiiachse vorgesehen ist, wobei die Hnuptt renn wand mit den konvexen Obei fluchen des ei»i'ekerlilen oder inisgckeliltcn Teiles veiblinden Kl. und (InU Nebenliennwimde (12) /11 beiden Seilen der llmipltiennvvmul impcoulncl sind, die

mit den konvexen Oberflächen des eingekerbten oder ausgekehlten Teiles in deren Längsrichtung verbunden sind, wodurch Haupt- und Nebentrennwände gemeinsam einen schlangenförmigen Durchtritt für die Kühlflüssigkeit bilden.

2. Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des schlangenförmigen Durchtritts für Kühlflüssigkeit mit einer Kühlflüssigkeitszuführung (8) und das andere Ende des Durchtrittes

mit einer Kühlflüssigkeitsabführung (9) verbunden ist.

3. Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Deckplatten (14) vorgesehen sind, die mit Ausnahme der Kühlflüssigkeitszuführung und -abführung jene Teile abdecken, die von der Haupttrennwand, den Nebentrennwänden und der inneren Anodenwandung umschlossen sind, so daß Räume (13] von geeigneter Größe entstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen