DE19741871C2 - Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen und ihre Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen, wobei eine im we­ sentlichen langgestreckte, zylinderförmige Entladungslampe mit wenigstens zwei Anschluss­ kontakten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens entlang ihrer Lampenach­ se von einem für optische Strahlung transparenten zylindrischen Mantel-Rohr umgeben ist, ein Kühlmittel durch einen gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Ringspalt zwi­ schen Kolben und Mantel parallel zur Lampenachse strömt und Kühlmittel-Zufuhr und -Abfuhr jeweils den Enden der Entladungslampe benachbart angeordnet sind, sowie eine Verwendung dieser Anordnung.

Aus der EP 0 105 230 A2 ist eine Anordnung zum Kühlen von Laseranregungslampen be­ kannt, wobei eine im wesentlichen langgestreckte zylinderförmige Entladungslampe mit zwei Anschlusskontakten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens von einem für optische Strahlung transparenten zylindrischen Mantelrohr umgeben ist und durch einen ge­ genüber der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Ringspalt zwischen Lampenkolben und Mantel ein Kühlmittel parallel zur Lampenachse strömt; hierdurch soll eine Lampe geschaffen werden, die auch unter strengen thermischen Anforderungen in physikalischer Umgebung eine Fluid-Kühlung ermöglicht, wobei die elektrischen Verbinder dazu befähigt sind, hohe Ströme zu übernehmen. Darüber hinaus soll die Verwundbarkeit der Lampe im Hinblick auf eventuelle Brüche von Lampenkolben und Ummantelung reduziert werden. Der Lampenkolben ist dabei in zwei sich gegenüber liegenden Sockelhülsen elektrisch kontaktierend angeordnet, wobei die inneren Hohlräume der Sockelhülse jeweils mit einem benachbart angeordneten Sockelkörper in Gasverbindung stehen, welcher neben einer Fluid-Zufuhr- bzw. Fluid-Abfuhr-Leitung zusätz­ lich mit Kontaktierungsmitteln für den Betrieb der Lampe versehen ist; darüber hinaus weist die Entladungslampe außerhalb ihres Innenraumes eine Trägerelektrode bzw. Zündelektrode auf.

Die für den Einsatz einer Entladungslampe mit äußerem Kolben vorgesehenen Halterungen weisen neben Anschlusskontakten auch jeweils eine Fluid-Zufuhr- und Fluid-Abfuhr-Leitung für das Kühlmittel auf, wobei das Kühlmittel vorzugsweise aus Wasser besteht; es ist jedoch auch möglich Kohlendioxyd als Kühlmittel durchströmen zu lassen.

Weiterhin ist aus der DE 37 38 921 A1 ein Laser sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Laser­ strahlung bekannt, bei dem das aktive Material vom Licht einer Gasentladungslampe angeregt wird; zur Verbesserung der Standzeit der Gasentladungslampe wird Kühlgas durch das Lam­ penrohr geleitet, welches auch gleichzeitig der Erzeugung der Gasentladung dient; hierzu sind die Elektroden zweckmäßigerweise mit Gasdurchtrittsöffnungen für den Gaskühlkreislauf ver­ sehen.

Weiterhin ist aus der DE 40 16 555 C1 ein gekühlter UV-Niederdruckstrahler - insbesondere eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe - bekannt, ein Entladungsrohr eines UV- Niederdruckstrahlers in mehrere Längsrohrabschnitte unterteilt ist, die parallel zueinander an­ geordnet sind und symmetrisch das zentrale Kühlrohr umgeben, wobei sie mittels hoher Bögen miteinander verbunden sind; im Inneren des Kühlrohres befindet sich ein zentrales Röhrchen für die Kühlmittelzufuhr; weiterhin ist ein das Kühlrohr durchdringendes Röhrchen zur Abfuhr von Trägergas wie beispielsweise Stickstoff und ausgetriebenes CO₂ vorgesehen. Die erfor­ derliche Kühlleistung wird durch Einbringen von Kühlwasser durch das Kühlrohr erzielt.

Als problematisch erweist sich bei den bekannten Entladungslampen die hohe mechanische Belastung des Lampenkolbens durch den inneren Druck unter Betriebsbedingungen, wobei Druckspannungen auf den in der Regel aus Quarzglas bestehenden Lampenkolbens erheblich besser getragen werden können als vom Innendruck ausgehende Zugspannungen.

Aufgabe der Erfindung ist es eine zuverlässige Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen - insbesondere von Laseranregungslampen - zu schaffen, bei der trotz hoher Belastung durch den Betriebsdruck der Lampenkolben praktisch keiner Zugbelastung mehr unterworfen wird, sondern lediglich einer äußere Druckbelastung auf ihn einwirkt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, dass nach der Erfindung auf eine einfache Kon­ struktion zurückgegriffen werden kann, die mit üblichen Bauelementen realisierbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass die insbesondere bei diesen Anregungslampen hohe Belastung des inneren Lampendrucks, welcher zu einer Dehnungsbelastung des Lam­ penkolbens führen würde, nunmehr aufgrund des gegenüber dem Betriebsdruck erhöhten äu­ ßeren hydrostatischen Drucks in eine von außen auf den Lampenkolben wirkende Druckspan­ nung umgewandelt wird, wobei sich in der Praxis die Druckfestigkeit des üblicherweise einge­ setzten Quarzglases als wesentlich höher erwiesen hat als die Zugfestigkeit bei Überdruck im Inneren des Lampenkolbens.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Mantelrohr im Gegensatz zum Lampenkolben nicht aus feuerfestem Material bestehen muss, so dass eine größere Auswahl an mechanisch und optisch geeigneten Werkstoffen - wie z. B. Aluminiumoxid - zur Verfügung steht.

Die Aufgabe wird verwendungsgemäß durch Anspruch 8 gelöst; hierbei erweisen sich die ver­ hältnismäßig einfache Ausgestaltung der kühlbaren Laseranregungslampe in einer komplexen Laseranordnung und die erhöhte Zuverlässigkeit als vorteilhaft.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, und 2 näher erläutert; die Fig. 1a zeigt im Längsschnitt teilweise gebrochen eine Anordnung zum Kühlen einer zylinderförmigen Entladungslampe. Fig. 1b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie AA der Fig. 1a; Fig. 2 zeigt schematisch den Kreislauf des Kühlmittels für eine Anordnung mit gekühlter Entladungslampe.

Die Entladungslampe 1 - siehe Fig. 1a - weist einen langgestreckten, zylindrischen Lampenkol­ ben 2 auf, der entlang seiner Achse 3 mit zwei sich gegenüberliegenden Anschlusskontakten 4, 5 im Bereich seiner Enden 6, 7 versehen ist; die Enden 6, 7 sind jeweils in Halterungen 9, 10 lösbar arretiert, wobei die Anschlusskontakte 4, 5 mit Kontakten 11, 12 der Halterung jeweils elektrisch verbunden sind. Die Halterungen 9, 10 sind entlang des Querschnitts AA zylindersy­ metrisch ausgebildet, wobei die Halterungen jeweils im Bereich ihres Außenumfanges in Pfeil­ richtung gesehen von einer Dichtung 13, 14 umgeben sind, die einen zwischen dem Lampen­ kolben 2 und einem entlang der Achse 3 aufgesetztem zylindrischen Mantelrohr 16 gebildeten Zwischenraum 31 nach außen hin - gegenüber der Umgebung - abdichten. Zur verbesserten axialen Führung ist jede der beiden Halterungen 9, 10 entlang der Achse 3 mit einem weiteren Dichtring 17, 18 (O-Ring) versehen, welcher neben einer zusätzlichen Dichtungsfunktion auch die Zentrierung der Halterungen entlang der Achse 3 wahrnimmt. Anhand Fig. 1b ist im Quer­ schnitt die Halterung 9 (10) mit Hohlraum 29 (30) erkennbar, der eine zum Zwischenraum ge­ richtete Öffnung 27 (28) aufweist; die Halterung 9 (10) ist auf ihrem Außen-Umfang von einem Dichtring 13 (14) umgeben, der einen abgeschlossenen Zwischenraum zwischen Mantelrohr 16 und Außen-Oberfläche des Lampenkolbens herstellt.

Die Halterungen 9, 10 sind an ihren jeweiligen dem Lampenkolben 2 abgewandten Ende 20, 21 mit einem Anschlussstutzen 22, 23 versehen, welcher mit einem in Fig. 2 schematisch darge­ stellten Fluid-Strömungs-System verbunden wird. Als Fluid wird vorzugsweise entmineralisiertes Wasser eingesetzt. Die Halterungen 9, 10 weisen gemäß Fig. 1a jeweils auf ihren dem Lam­ penkolben 2 zugewandtem Ende 25, 26 eine Öffnung 27, 28 auf, welche den jeweiligen Strö­ mungsanschluss 22 bzw. 23 über einen Hohlraum 29, 30 der Halterung 9, 10 mit den Öffnun­ gen 27, 28 zum Zwischenraum 31 verbindet.

Während des Betriebes der Entladungslampe 1 wird über Anschlussstutzen 22 und Hohlraum 29 der Halterung 9 entmineralisiertes Wasser als Fluid über die Öffnung 27 dem Zwischenraum 31 zwischen Lampenkolben 2 und Mantelrohr 16 zugeführt, wobei die Strömungsrichtung durch Pfeile symbolisch dargestellt ist. Das entmineralisierte Wasser strömt dabei entlang der Achse 3 der Halterung 10 zu, wobei es über Öffnung 28, Hohlraum 30 und Anschlussdüse 23 die Be­ leuchtungsanordnung verlässt. Der hydrostatische Druck innerhalb des Zwischenraumes 31 wird dabei auf einen Wert im Bereich von 40 bis 45 bar eingestellt, so dass sichergestellt wird, dass der hydrostatische Druck der durchströmenden Flüssigkeit stets oberhalb des Betriebs­ druckes der Lampe (27-41 bar) liegt. Fig. 2 zeigt schematisch den Fluidkreislauf an.

Gemäß Fig. 2 tritt aus Öffnung 34 des Kompressor-Kühlsystems 35 das Fluid über Leitung 36 zum Anschlussstutzen 22 der Beleuchtungsvorrichtung mit Entladungslampe 1 aus. Die Strö­ mungsrichtung ist auch hier symbolisch mit einem Pfeil dargestellt. Nachdem das Fluid die Be­ leuchtungsvorrichtung durchströmt hat, tritt es am Anschlussstutzen 23 über Leitung 37 aus und wird über Eingang 38 dem Kompressor-Kühlsystem 35 zugeführt. Das Kühlsystem 35 wird mit­ tels eines Stellgliedes 39 so eingestellt, dass der hydrostatische Druck innerhalb der Beleuch­ tungsvorrichtung stets oberhalb des Betriebsdrucks der Entladungslampe 1 liegt.

Als Entladungslampe 1 hat sich insbesondere ein Xenon-Strahler mit einer Leistung im Bereich von 2,5 bis 10 kW bewährt.

Claims (8)

1. Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen, wobei eine im wesentlichen langge­ streckte, zylinderförmige Entladungslampe mit wenigstens zwei Anschlusskontakten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens entlang ihrer Lampenachse von einem für optische Strahlung transparenten zylindrischen Mantel-Rohr umgeben ist, ein Kühlmittel durch einen gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Ringspalt zwischen Kolben und Mantel parallel zur Lampenachse strömt und Kühlmittel-Zufuhr und -Abfuhr jeweils den Enden der Entladungslampe benachbart angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel einen höheren statischen Druck als den Betriebs­ druck der Entladungslampe (1) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Wasser ein­ gesetzt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von statischem Druck zu Betriebsdruck der Entladungslampe (1) im Bereich von 1,1 : 1 bis 1,5 : 1 liegt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantel-Rohr (16) aus Quarzglas besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantel-Rohr (16) aus Aluminiumoxid besteht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ hältnis des Innendurchmessers des Mantel-Rohres (16) zum Außendurchmesser des Lampenkolbens (2) im Bereich von 3 : 1 bis 1,5 : 1 liegt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entla­ dungslampe (1) als Xenon-Strahler ausgebildet ist.

8. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Kühlung einer La­ ser-Anregungslampe.