DE2202681C2

DE2202681C2 - Bogen-Entladungslampe

Info

Publication number: DE2202681C2
Application number: DE19722202681
Authority: DE
Inventors: Russel Cennedy Cupertino Calif. McRae; William Robert San Carlos Calif. Stuart
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Excelitas Technologies Illumination Inc
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1983-09-08
Also published as: FR2123388A1; FR2123388B1; FR2305851A1; NL171308C; GB1376842A; DE2202681A1; DE2265542C2; FR2305851B1; NL7201031A; NL171308B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Bogen-Entladungslampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Lampe ist bekannt (US-PS 35 02 929). Bei dieser bekannten Lampe ist die in der Nachbarschaft des Sockels angeordnete erste Elektrode die Kathode und die zweite Elektrode, die in der Nachbarschaft des optischen Fensters abgestützt ist. ist die Anode. 70% der Energie der Entladung werden bei einer solchen Lampe an der Anode in Wärme umgewandelt. Diese Wärme muß durch die Stützkonstruktion für die Anode und dann durch thermisch mit dieser verbundene Flansche abgeführt werden. Die Stützkonstruktion der bekannten Lampe ist dünn, weil Licht an ihr vorbeitreten muß. Die Flansche sind dünn, um eine schnelle Abfuhr der Wärme im kritischen Bereich an der Abdichtung des Fensters zu ^b5 erlauben. Die bekannte Konstruktion ist bei Leistungen bis zu etwa 150 Watt sehr wirksam, bei höheren Leistungen kann jedoch die Wärme nicht ausreichend abgeführt werden, und die Abdichtung bricht zusammen. Die Abdichtungen selbst müssen dünn sein, um eine ausreichende Dehnung zu ermöglichen, wenn die Wärme absorbiert wird

Wenn bei der bekannten Lampe die erste Elektrode als Anode und die zweite Elektrode als Kathode verwendet wird, kommt zwar die Anode in den Sockel der Lampe, wo massivere Konstruktionen verwendet werden können, mit denen Wärme abgeführt werden kann. Dadurch wird eine bessere Abfuhr der erzeugten Wärme möglich, dieser Effekt wird jedoch durch die Forderung begrenzt, daß der in den Sockel montierte Reflektor thermisch gegen die Anode isoliert sein muß. Wenn die Kathode in der Nähe des Fensters angeordnet werden soll, ergibt sich ein neues Problem, das die Vorteile der stärkeren Wärmeabfuhr durch die Montage der Kathode in Verbindung mit dem Sockel zunichte macht. Der Punkt höchster Intensität der Bogenentladung hängt von der Position der Kathode ab, nicht von der Position der Anode. Dieser Punkt muß sich aber im Brennpunkt des Reflektors befinden, damit die größte Lichtstromdichte erhalten wird. Selbst kleine Positionsfehler setzen die Lichtstromdichte erheblich herab. Wenn die Kathode sich im Sockel befindet, ist die Positionierung der Kathode und damit die Positionierung des Punktes höchster Intensität relativ zum Brennpunkt des Reflektors relativ einfach, weil der Reflektor und die Kathode sich in der gleichen Baueinheit befinden. Wenn sich die Kathode in der Nähe des Fensters befindet, ist irgendein Fehler in der Positionierung des Punktes höchster Intensität schwierig festzustellen. Aus diesem Grunde befindet sich bei der bekannten Lampe die Anode in der Nachbarschaft des Fensters, um auf diese Weise die höchste Lichtstromdichte zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die bekannte Lampenkonstruktion so abzuwandeln, daß eine erhebliche stärkere Wärmeabfuhr erzielt wird, ohne dal5 die Lichtstromdichte beeinträchtigt wird. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichente>f Jes Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden: es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer bekannten Lampe;

Fig. IA eine Stirnansicht der Lampe nach Fig. 1 entsprechend der Linie 1/4-14:

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Bogen-Entladungslampe nach der Erfindung:

F i g. 2A eine Stirnansicht der Lampe nach F i g. 2 entsprechend der Linie 2/4-2/4:

Fig. 2B eine Rückansicht der Lampe nach Fig. 2 entsprechend der Linie 2B-2B.

Fig. 1 und IA zeigen eine Ausführungsform einer bekannten Lampe. Ein Ende des keramischen Zylinders 40. der aus polykristalliner Tonerde besteht, ist an e^;'ien Ring 42 aus einem duktilen Metall (beispielsweise Kupfer) gelötet, der seinerseits an ein metallisches Element 44 (beispielsweise aus einer Legierung oder rostfreiem Stahl) des Lampenkolbens gelötet ist. Das metallische Element 44 kann sphärisch, ellipsoidisch oder parabolisch geformt sein. Der duktile Metallring dient als Spannungsausgleichselement des Kolbens. Die Innenfläche des Elements 44 dient als integraler Reflektor 46. Das andere Ende des keramischen Elementes 40 ist an einen duktilen Metallring 48 gelötet,

der seinerseits an eine Seite eines festen metallischen Abschlußrings 50 gelötet ist. Der Abschlußrimg ist dann an einen anderen duktilen Metallring 52 gelötet, der seinerseits an den Flansch einer rohrförmigen, steifen, metallischen Fensterabstützung 54 gelötet ist Wie im Falle des Ringes 42 dienen die Metallringe 48 und 52 zur Auflösung von Spannungen. Der Umfang eines scheibenförmigen Fensters 56, beispielsweise aus Saphir, ist leicht in die Fensterabstützung 54 eingelassen und an diese ange'jtet ^|0

Eine stabförmige metallische Anode 58 (beispielsweise aus Wolfram) ist längs der Achse des rohrförmigen keramischen Elementes 40 und des Fensters 56 mit drei dreieckigen Metallstützen 60 abgestützt, die beispielsweise aus Molybdän bestehen. Jede Abstützung weist eine Kerbe auf, in die der Anschlußring 50 gelötet ist. Die Stützen 60 bilden elektrisch leitende Wege zwischen der Anode 58 und dem Anschlußrimg 50. Jede der metallischen Stützen 60 ist spiralenförmig gebogen, damit bei höheren Temperaturen keine starken Spannungen auftreten.

Eine stabförmige Kathode 62 {beispielsweise aus thoriertem Wolfram) ist in der Nähe der Arno .ie 58 in deren Achse mit einer metallischen Schüssel 64 abgestützt. Diese Schüssel, die beispielsweise aus einer Legierung bestehen kann, und die einen Teil des dicht abgeschlossenen Kolbens bildet, ist am Umfang an eine Öffnung im Element 44 angelötet. Ein kupfernes Absaugrohr 66 steht durch die Schüssel hindurch mit dem Inneren des Kolbens in Verbindung. Wenn der Kolben beispielsweise mit Xenon gefüllt und unter Druck gesetzt worden ist wird das Kupferrohr abgequetscht, so daß das unter Druck stehende Gas innerhalb des dichten Kolbens gehalten wird.

In F i g. 2,2A und 2B ist eine Bogen-Entladungslampe Ji mit einem Sockel 10 and einer isolierenden Abstützung in Form eines Keramikzylinders 11. beispielsweise aus polykristalliner Tonerde, dargestellt. Wie später näher in Verbindung mit der Wärmeabfuhr beschrieben wird, kann der Sockel auch aus Stahl hergestellt werden statt ^o aus teuerem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit. Der Keramikzylinder ist an einen Ring 12 angelötet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem der Keramik ist. Ein solcher Werkstoff ist eine Legierung von Eisen, Nickel und Kobalt. Der « Sockel ist bei 15 ausgespart, so daß eine vorstehende Kante 16 gebildet wird. Eine Wolfram-Inertgas-Schweißung wird zwischen dieser vorstehenden Kante und dem Ring 12 bei 17 hergeste'lt. Die Abstände 13 und 14 werden gelassen, um eine Dehnung des Sockels zu "·" erlauben. Diese Konstruktion und der Zweck des erhabenen Teils 76 werden unten besprochen.

Der Lampenkolben weist ein scheibenförmiges Fenster 18. beispielsweise aus Saphir, auf. Das Fenster ist an einen Dichtring 19 angelötet, beispielsweise aus ^ einer Legierung, der seinerseits an ein Stützelement 21 angelötet ist, das beispielsweise aus Stahl besteht. Der Dichtungsring 19 kann sehr dünn sein, weil er nur sehr gering beansprucht wird. Ein J-förmiger Querschnitt ist zweckmäßig, weil er eine radiale Dehnung des Fensters zuläßt. Das Stützelement 21 ist so aufgebaut, daß ein Teil 25 die Vorderseite des Fensters überlapjpt. Ein Ring 20 aus einem duktilen Metall, beispielsweise Kupfer, ist zwischen dem Fenster und dem Überhang 25 angeordnet und befindet sich in nicht dichtender Berührung mit <» beiden. Wie noch .näher unten erläutert wird, dient dieser Überhang 25 dazu, das Fenster eingespannt zu hnlten, während der Ring 20 einen Teil der Spannung aufnimmt Das Stützelement 21 weist eine vorstehende Kante 23 auf, die mit einer WoIfram-lnertgas-Schweißung am Punkt 24 mit einem Dichtungsring 22, beispielsweise aus einer Legierung, verschweißt ist

F i g. 2 ist ein Schnitt durch viele allgemein ringförmige Elemente, und deshalb erscheinen mehrere Linien parallel zum Fenster 18, und daraus könnte geschlossen werden, daß irgendein anderes Element als das Fenster die Öffnung der Lampe ausfüllt. Jede dieser Linien zeigt eine Kante eines der allgemein ringförmigen Elemente. Linie 101 ist die Kante der Oberseite der ringförmigen vorstehenden Kante 23. Linie 102 ist die Kante der ringförmigen Oberfläche des Überhangs 25 des Elements 21. Linie 103 ist die Kante der Oberseite des Rings 20. Schließlich ist Linie 104 der Kante der ringförmigen Oberfläche des Bodens des Dichtungsrings 19.

Die drei dünnen rechteckigen Stützen 31 für die stabförmige metallische Kathode 32 sind an den Boden des Stützrings 30 gelötet Diese Stützen bestehen beispielsweise aus Molybdän. Der R>^rj 30 ist an den Dichtungsring 22 an einem solchen Pun«- f angelötet, daß die Stützen 31 auf der Oberseite des Keramikrings 11 aufruhen. Die Stützen 31, der Ring 30 und der Ring 22 bilden einen elektrisch leitenden Weg zur Kathode. Der Ring 30 weist eine vorstehende Kante 35 auf. Der Reflektor 33 enthält Schlitze 34, durch die die Kathodenstützen 31 hindurchtreten, wenn die Oberseite des Reflektors an der vorstehenden Kante 35 des Ringes 30 positioniert ist. Die vorstehende Kante 35 ist mit dem Reflektor 33 mittels einer Wolfram-Inertgas-Schweißung vereinigt. Der Ring 30 muß ausreichend steif sein, um die Kathode und den Reflektor zu tragen. Der Reflektor ist parabolisch dargestellt es kann aber auch ein sphärischer oder Ellipsoid-Reflektor sein.

Eine stabförmige metallische Anode 70 durchsetzt den Sockel 10. Um einen maximalen Wärmeübergang von der Anode zu erhalten, soll der Teil, der in die Lampe hineinreicht, im Vergleich zur Dicke des Sockels so kurz wie möglich sein. Insbesondere soll das Verhältnis des Teils der Anode innerhalb der Lampe zur maxi) :alen Stärke des Sockels im Bereich unterhalb des Loches 36 kleiner sein als 0.6. Diese Anode besteht vorzugsweise aus Wolfram, während die Kathode 32 vorzugsweise aus thoriertem Wolfram bestoht. Die Anode und Kathode sind auf der AchSk.· der Lampe angeordnet, und die Achse tritt durch ein Loch 36 im Boden des Reflektors hindurch Die Anode und die Kathode sind weniger als 2 cm voneinander entfernt, vorzugsweise weniger als 1 cm. Die Kathode ist so positioniert, daß der Punkt größter Lichtintensität in der Bogenentladung sich im Brennpunkt des Reflektors 33 befindet.

Nach der Montage der Lampe wird diese durch das Ronr 71 evakuiert und dann mit Gas gefüllt, beispielsweise Xenon zu einem Druck von e'wa 25 Bar. Das Rohr wird dann an der Abquetschung 72 dicht verschlossen.

Wenn eine Lampe dieser Art einmal in Betrieb ist. arbeitet sie mit sef niedrigen Spannungen, beispielsweise 20 V, zum Zünden der Lampe müssen jedoch hohe Spannungen über der Entladungsstrecke liegen. Spannungen in der Größenordnung von 20 000 V werden zu diesen Zweck benötigt. Diese Spannungen werden gewöhnlich mit einer Hochfrequenzquelle angelegt. Da der Reflektor elektrischen Kontakt mit der Kathodenabstützung hat, ergibt sich ein Weg für den Strom längs des Reflektors und über die Strecke vom Loch 36 zur

Anode. Um einen Bogenübersehlag über die Strecke zwischen Reflektor und Anode zu verhindern, weist der Sockel einen erhabenen Teil 76 auf. dessen innere Oberfläche im allgemeinen parallel zur äußeren Oberfläche des Reflektors 33 liegt. Die Außenfläche des erhabenen Teils 76 ist parallel zum Keramikzylinder Il und von diesem durch einen Spalt 14 getrennt. Dieser Spalt erlaubt eine Dehnung des Sockels. Eine kapazitive Reaktanz existiert zwischen diesem erhabenen Teil 76 und dem Reflektor 33. Diese Kapazität macht es in Verbindung mit den anderen elektrischen Eigenschaften der Lampenkonstruktion, die a!s passives Netzwerk betrachtet werden kann, insbesondere der Induktivität der Kathode und der Kathodenstützkonstruktion, während des Zündcns der Lampe möglich, einen Zustand zu erhalten, in dem die Hauptentladungsstrecke zwischen der Kathode und der Anode in der gewünschten Weise zusammenbricht, die Entladungsstrecke zwischen der Kante des Reflektors und der Anode jedoch nicht zusammenbricht.

Wie bereits erwähnt, wird der beträchtliche Prozentsatz von 70% der in der Entladung erzeugten Energie in Wärme an der Anode einer Kurzbogenlampe umgewandelt. Da die Anode bei der bekannten Lampe in der Nähe des Fensters angeordnet war, wie in Fig. 1 dargestellt ist, mußte diese Wärme durch die relativ dünnen Stützen 60 und den Ring 50 abgeführt, werden. Dadurch war der Betrieb dieser Ausführungsform der bekannten Lampe auf eine Leistung von etwa 150W begrenzt. Wenn die Anode in den Sockel der bekannten Lampe gebracht wurde, war eine bessere Wärmeabfuhr möglich, da die Reflektorabstützung 44 aber ihrerseits am Sockel der Lampe abgestützt war, und weil nicht zugelassen werden kann, daß der Reflektor relativ niedrige Temperaturen überschreitet, würden sogar die relativ massiveren Wärmeübergangselemente, die bei einer solchen Ausführungsform möglich wären. Wärme

bekannte Lampe könnte mit Leistungen bis zu vielleicht 500 W betrieben werden. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Anbringung der Anode im Sockel der bekannten Lampe Schwierigkeiten bei der Positionierung der Kathode relativ zum Brennpunkt des Reflektors mit sich bringt. Durch diese Schwierigkeit werden die Vorteile, die durch die Wärmeabfuhr erhalten werden, wieder aufgehoben. Deshalb wird nun der Reflektor nicht am Sockel befestigt. Dadurch ist ein einfacherer, massiverer Sockel möglich, bei dem ein relativ kurzer Teil der Anode sich innerhalb des Kolbens befindet. Die Wärme wird relativ schnell zur äußeren Oberfläche des Sockels übertragen, so daß die Lampe im Bereich von 500 bis 1000 W sogar mit einem Sockel aus Stahl betrieben werden kann, ein relativ schlechter Wärmeleiter, verglichen mit anderen verfügbaren Metallen. Die Lampe arbeitet sogar noch bei höheren Leistungen, wenn eines dieser besser wärmeleitenden Metalle für den Sockel verwendet wird.

Bei der bekannten Lampe gemäß F i g. 1 muß die Fensterabstützung 54 relativ dünn sein, um eine Dehnung und einen guten Anschluß an die anderen, dünnen Stützelemente zu ermöglichen. Weil sich das Fenster während des l.ampenbetriebes unter hohem Druck befindet, ergibt sich eine beachtliche Belastung der Stütze 54 und am dichten Anschluß an das Fenster. Bei der Bogeii-F.ntladungslampe gemäß F i g. 2 isi die ι Wärmeabfuhr im Bereich des Fensters unkritisch, und die Fensterstüt/konstruklion erlaubt es. das Fenster unter Druck zu setzen. Das bedeutet, daß eine dünne Abdichtung 19 bei diesem Fenster möglich ist. die unter geringer oder gar keiner mechanischen Belastung steht.

in Das FJement 21 gemäß F i g. 2 ist relativ massiv, verglichen mit den dünnen Flanschen der bekannten Lampe. Dadurch wird eine bequemere und kräftigere Frontmontage möglich. Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 sind Gewindelöcher in das Element 21

ι ί gebohrt, die nicht dargestellte Bolzen von irgendeiner geeigneten Montageeinrichtung aufnehmen.

In einigen Anwcndungsfällen für eine Kurzbogenlampe ist es erwünscht, den Strom über der Bogenstrecke zu modulieren, um somit das von der Lampe

jii abgegebene Licht zu modulieren. Wenn die Moduiationsfrequenz sich bei oder in der Nähe der akustischen Resonanzfrequenz der Lampe befindet, schwingen die Gasmoleküle in der Lampe. Dadurch ändert sich der Druck an der Bogenstrecke von nahezu 0 zu Maxima.

j· die weitaus höher sind als der normale Betriebsdruck der Lampe. Bei diesen Maxima kann der Strom in der Bogenstrecke nicht langer aufrechterhalten werden, und die Lampe erlischt. Es ist erwünscht, die niedrigste akustische Resonanzfrequenz so hoch wie möglich zu

in legen, so daß sie jede Modulationsfrequenz überschreitet, die möglicherweise verwendet wird. Diese tiefste akustische Resonanzfrequenz steigt, wenn das Gasvolumen verringert wird.

Die erfindungsgemäße Lampe besteht, ebenso wie die

ii bekannte Lampe, aus paarweise gekoppelten Hohlräumen. Die tiefste akustische Resonanzfrequenz ist eine komplexe Funktion der Resonanzfrequenzen jedes dieser gekoppelten Hohlräume. Der Hauptamtes! kommt jedoch von dem Hohlraum, in dem sich die

■<n Bogenstrecke befindet. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist der Abstand zwischen dem Boden des Fensters 18 und der Oberseite des Reflektors 33 erheblich kleiner als bei der bekannten Lampe. Das liegt daran, daß der Reflektor in der Nachbarschaft des Fensters abgestützt und deshalb in der Nähe der Kathode also im Bereich des Fensters, keine Isolation gegen die Kathode notwendig ist. Das bedeutet, daß sich das Fenster sehr nahe am Reflektor befinden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand vom

>o Fenster zum Reflektor kleiner als die Stärke des Fensters. Bei gleicher Öffnungsgröße und Form ö-s Reflektors ist also das Gasvolumen in der Kammer, die den Bogen enthält, bei der erfindungsgemäßen Lampe kleiner als bei der bekannten Lampe.

Wenn der Reflektor in der Nähe des Fensters befestigt ist, ist der keramische Isolator 11 erheblich langer als bei der bekannten Lampe. Das bedeutet, daß höhere Zündspannungen verwendet werden können, oder daß stattdessen eine geringere Wahrscheinlichkeit wi für Bogenüberschläge bei niedrigen Außendrücken besteht, d. h. in großen Höhen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bogen-Entladungslampe, bestehend aus einem dichten Kolben mit einem Sockel, einem dem Sockel gegenüber befindlichen optischen Fenster und einer gegen den Sockel isolierenden Abstützung für das Fenster, einer im Kolben in der Nachbarschaft des Sockels angeordneten ersten Elektrode, einer im Kolben im Abstand von der ersten Elektrode und gegen diese isoliert angeordneten zweiten Elektro- ι ο de, die in der Nachbarschaft des optischen Fensters angeordnet ist, einer ionisierbaren Gasfüllung unter höherem als Atmosphärendruck und einem innerhalb des Kolbens montierten Reflektor, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (70) i> die Anode und die zweite Elektrode (32) die Kathode ist, und daß der Reflektor (33) von dem gleichen Ende der isolierenden Abstützung (11) gehaltert ist wie die Kathode (32) und das optische Fenster (18).

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß £e* Kolben eine Ringwand (22) in der Nachbarschaft des dem Fenster zugewandten Ende der isolierenden Abstützung (11) aufweist und daß die Abstützung für die Kathode (32) und den Reflektor (33) einen Ring (30) aufweist, dessen Außenteil an der Ringwand (22) befestigt ist und dessen Innenteil am Reflektor^33) und der Kathode (32) befestigt ist

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (10) aus einem wärmeleitenden Material besteht, das über wenigstens 60% de. Länge der Anode (70) innerhalb des Kolbens mit dieser in Oberfl?-henberührung steht.

4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor metallise+ und elektrisch mit der Kathode verbunden ist.

5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material des Sockels (10) in seiner dem Lampeninneren zugewandten Oberfläche eine Aussparung aufweist, deren Wände (76) sich -»ο nach einwärts über das Innenende der Anode (70) hinaus erstrecken.

6. Lampe nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (76) der Aussparung sich so weit einwärts erstrecken, daß sie einen Teil des -»5 Reflektors (33) umgeben.