DE2525401C3 - Anordnung zur Erzeugung einer Strahlung mit hoher Intensität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Strahlung mit hoher Intensität mit zwei in einem langgestreckten zylindrischen Entladungsraum auf Abstand voneinander koaxial in diesem angeordneten Elektroden, wobei ein Gas und eine Flüssigkeit in den Entladungsraum im Bereich seiner zylindrischen Wand eingeführt und in einem Ringraum entlang der zylindrischen Wand durch den Entladungsraum hindurchgewirbelt werden, wobei die Drallbewegung des Gases den Lichtbogen stabilisiert.

Eine derartige Anordnung ist aus der britischen Patentschrift 11 72 379 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung wird eine verhältnismäßig geringe Menge einer Flüssigkeit in den Entladungsraum eingeführt und möglichst gleichförmig über die innere Wandoberfläche verteilt, indem ein Gas wirbelnd in den Entladungsraum hineingeleitet wird, um einen dünnen Film auszubilden. Ein solcher Flüssigkeitsfilm wird ausschließlich zu dem Zweck der Kühlung des äußeren Mantels des Entladungsraums und zur Absorption einer nicht erwünschten Strahlung verwendet.

Bei dieser bekannten Anordnung sind jedoch große Gasströmungen erforderlich, um den Lichtbogen zu begrenzen und zu stabilisieren, und es ist weiterhin ein Entladungsraum mit verhältnismäßig großem Durchmesser notwendig. Dadurch wird der Aufwand auch im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der Entladungslampe sowie im Hinblick i 11 j Γ die verwendete Gasmenge erheblich. Weiterhin hat die Lichtbogenentladung bei dieser bekannten Anordnung eine negative dynamische Impedanz und erfordert daher stromgesteuerte Energiequellen.

Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 10 90 795 eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Strahlung mit hoher Intensität bekannt, bei welcher eine Kühlflüssigkeit durch ein in den Entladungsraum einströmendes Gas in eine Wirbelbewegung versetzt wird.

■o Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung einer Strahlung mit hoher Intensität der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, die eine Bogenentladung mit einer positiven dynamischen Impedanz gewährleistet, wobei die dyna-

is mische Impedanz eines Bogens als das Verhältnis der Veränderung der Bogenspannung als Funktion einer Veränderung des Bogenst.-omes definiert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die wirbelnd eingeführte Flüssigkeit eine relativ dicke zylindrische Flüssigkeitswand bildet, die den Lichtbogen begrenzt

Mit dieser Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichtbar, daß Leistungen gewährleistet werden, die weit über 120 kW liegen. Als wesentlicher Grundgedan ke ist dabei vorgesehen, daß eine verhältnismäßig dicke geschlossene Flüssigkeitswand erzeugt wird, ohne daß dabei die Gasströmung eine entscheidende Rolle spielt. Weiterhin wird dabei die Flüssigkeitswand derart ausgebildet, daß sie den Bogen hinreichend eng umschließt, um ihn begrenzen zu können. Bei der Anordnung übernimmt somit das Gas im wesentlichen nur die Rolle, den Lichtbogen zu stabilisieren, während es diesen Lichtbogen jedoch nicht begrenzt Dies bedeutet, daß durch den verminderten Druck, welcher infolge der Wirbelbewegung des Gases im zentralen Bereich des Entladungsraumes entsteht, der Lichtbogen sich kontinuierlicher und stabiler ausbilden kann.

Während bei der aus der britischen Patentschrift 11 72 379 bekannten Anordnung das Gas als Antriebs element für die Flüssigkeit verwendet wird, liegen die Verhältnisse hier genau umgekehrt, indem nämlich die Flüssigkeit dazu dient, dem Gas die erforderliche Wirbelbewegung oder den erforderlichen Drall zu erteilen, um Druckverhältnisse im zentralen Bereich des

■ti Entladungsraumes einzustellen, welche die stabile Ausbildung des Lichtbogens fördern.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß der Abstand zwischen den Elektroden

'.;<> außerordentlich groß sein kann, ergeben sich eine gute Strahlungsintensität und eine besonders lange Lebensdauer der Vorrichtung.

Die Anordnung gemäß der Erfindung weist zahlreiche weitere Vorteile auf:

Vi Bei der Anordnung kann wegen ihrer positiven dynamischen Impedanz die Einrichtung für die Energieversorgung und für die Regelung hinsichtlich Gewicht und Kosten wesentlich günstiger sein. Die UV- und IR-Strahlung werden durch die verhältnismäßig dicke Flüssigkeitswand absorbiert, so daß die Menge der Strahlung vermindert wird, welche durch den Entladungsraum absorbiert wird.

Die innere Oberfläche der Wand des Entladungsraumes absorbiert Energie, da diese Oberfläche jedoch in

^(>i enger Berührung mit der Flüssigkeitswand mit starker Strömung steht, ist die Wärmeabfuhr außerordentlich wirksam. In Röhren mit zwei Mänteln wird die innere Oberfläche der inneren Röhre aufgeheizt, während die

äußere Oberfläche gekühlt wird. Dadurch entstehen Wärmespannungen, und es wird die Möglichkeit geschaffen, daß die innere Oberfläche wesentlich heller werden kann. Diese Bedingungen führen dain zu einem Versagen der inneren Röhre und damit zu einem Versagen der Lampe.

Die durch den Gaswirbel bestehende Reibung wird vermindert, so daß ein besserer Wirbel über einen längeren Bogen bestehen bleibt. Dies tritt auf, weil Jie Flüssigkeit und das Gas im selben Sinne rotieren und die Reibung an einer Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas auftritt, anstatt an einer Grenzfläche zwischen einem festen Körper und einem Gas. Der massive Flüssigkeitswirbel zeigt die Tendenz, den Gaswirbel zu beeinflussen, anstatt von diesem beeinflußt zu werden.

Aufgrund der Dicke der Flüssigkeitswand und ihrer Geschwindigkeit wird irgendwelches Material, welches von den Elektroden verdampft, durch die Fiüssigkeitswand abgeführt und somit tritt keine Abdunklung der festen Wände auf. Auf diese Weise wird die Strahlungsleistung über die Betriebszeit konstant gehalten.

Aufgrund der raschen Bewegung der Flüssigkeit durch den Entladungsraum erfährt die Flüssigkeit keine große Temperaturerhöhung, und demgemäß ist ihre Kühlwirkung auf den Lichtbogen über die gesamte Länge der Entladung im wesentlichen konstant. Dies erzeugt gleichförmige Bogenbedingungen, welche in einer räumlichen Gleichförmigkeit in der Emission der Quelle ihren Niederschlag finden.

Aufgrund der Dicke und aufgrund der raschen Bewegung der Flüssigkeitswand kann diese höheren Flüssen standhalten. Der Entladungsraum kann daher einen kleinen Durchmesser haben, wodurch wiederum das Volumen vermindert wird, welches durch Wirbelgas gefüllt ist, und wodurch das Volumen des zirkulierten Gases um einen Faktor von mehr als 20 vermindert werden kann. Der kleinere Entladungsraum gestattet auch die Herstellung einer Lampe mit geringeren Gesamtabmessungen, wodurch eine wirtschaftlichere Herstellung von Reflektoren mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Entladungsanordnung,

Fig.2 einen Querschnitt durch eine Entladungsanordnung und

Fig.3 einen Querschnitt durch eine weitere Entladungsanordnung.

Die Arbeitsweise einer Strahlungsquelle hoher Intensität wird anhand der F i g. 1 erläutert. Die Quelle 1 weist einen zylindrischen Entladungsraum 2 mit darin auf Abstand angeordneten Elektroden 3 und 4 auf, welche an jedem Ende koaxial im Entladungsraum angeordnet sind. Der Entladungsraum 2 ist aus einem Material wie Quarz hergestellt, welches für die Strahlung des Bogens durchlässig ist. Eine Energieversorgungsquelle 5 für einen hohen Strom ist an die Elektroden angeschlossen. Über eine Flüssigkeitspumpe und einen Wärmetauscher 5 strömt eine Flüssigkeit in das eine Ende des Entladungsraumes 2 ein derart, daß eine zylindrische Flüssigkeitswand 7 innerhalb des Entladungsraumes 2 erzeugt wird. Durch eine weitere Pumpe kann auch ein Kühlmittel durch die Elektroden 3 und 4 hindurchgefördert werden, um ihre Temperatur auf einem hinreichend niedrigen Wert zu halten. Eine Gaspumpe 8 fördert ein träges Gas 9 wie Argon durch den Entladungsraum Z und zwar bei hinein größeren Druck als dem atmosphärischen Druck, vorzugsweise zwischen 2 und x) Atmosphären. Das Gas kann entweder in der einen oder in der anderen Richtung durch den Entladungsraum 2 hindurchgeführt werden. Die Wirbelflüssigkeit erteilt dem in den Entladungsraum eintretenden Gas eine Wirbelbewegung, obwohl zusätzliche Maßnahmen getroffen werden können, um das Gas von vornherein beim Eintreten konzentrisch mit der Flüssigkeit zu verwirbeln.

Die zylindrische Flüssigkeitswand 7 kühlt den Umfang der Gassäule, durch weiche sich der Bogen entlädt. Dieser Kühleffekt begrenzt den Bogendurchmesser. Eine Zunahme im Bogenstrom heizt den Bogen auf, ca jedoch die Flüssigkeitswand den Bogenumfang kühlt, entsteht ein steilerer Temperaturgradient am Bogenumfang, und der Bogen kann sich nicht ausdehnen. Dieser feste Durchmesser verleiht dem Bogen eine positive dynamische Impedanz von etwa 0,005 bis 0,1 Ohm/cm. Da das Gas nicht dazu verwendet wird, den Bogen zu begrenzen, sondern lediglich zu seiner Stabilisierung, kann weiterhin eine geringe Gasströmung verwendet werden.

Für einen Betrieb mit hoher Leistung muß der innere Durchmesser der Flüssigkeitswand 7 klein sein, um den Bogen zu begrenzen und um eine ausreichende Tangentialgeschwindigkeit zu haben, damit eine gleichförmige Flüssigkeitswand über den gesamten Entladungsraum 2 aufrechterhalten wird, die nicht nennenswert durch die Gassäule gestört wird. Andererseits benötigt das Gas nur eine ausreichende Strömung, um den Bogen zu stabilisieren.

Die Fig.2 zeigt im Querschnitt eine Konfiguration, welche den Entladungsraum und die Elektroden annehmen können. Diese Ausführungsform besteht aus einem zylindrischen Entladungsraum 22, der aus Quarz oder einem anderen Material mit einer ausreichenden Festigkeit besteht, um den inneren Drücken und Temperaturen standzuhalten, und welches für die Bogenstrahlung durchlässig ist. Eine Kathodenanordnung 23 ist an einem Ende des Entladungsraumes 22 angeordnet, und eine Anodenanordnung 24 ist an dem anderen Ende des Entladungsraumes 22 angebracht, um auf Abstand voneinander angeordnete koaxiale Elektroden vorzusehen, zwischen denen ein Lichtbogen aufrechterhalten wird.

Die Kathodenanordnung 23 hat eine Hohlelektrode 25, die üblicherweise aus einem leitenden Material wie Kupfer hergestellt ist, wobei die Kathodenoberfläche 26 aus thoriertem Wolfram besteht. Ein Kühlmittel zirkuliert durch den Innenraum der Elektrode 25 in beliebiger herkömmlicher Weise, wie es durch den Einlaßpfeil 27 und den Auslaßpfeil 28 angedeutet ist.

Das träge Gas, welches entweder Argon, Krypton, Xenon od. dgl. sein kann, kann von dem einen Ende oder von dem anderen Ende in den Entladungsraum 22 eingeführt werden, vorzugsweise ist die Anordnung jedoch derart getroffen, daß das Gas durch die Kathodenanordnung 23 eingeführt wird. Obwohl das Gas aufgrund der Flüssigkeitswirbelwand in den Entladungsraum eine Wirbelbewegung ausführen würde, Kt vorzugsweise vorgesehen, dem Gas eine Anfangs-Tangentialgeschwindigkeit zu erteilen. Dies wird in der Kathodenanordnung 23 dadurch erreicht, daß eine ringförmige Gaskammer 29 vorgesehen wird, die konzentrisch zu der Elektrode 25 angeordnet ist und in welche das Gas durch den Einlaß 30 eingeführt wird.

Das Gas wird dann unter Druck durch eine oder mehrere Gasdüsen 31 hindurchgeleitet, wodurch eine hohe Tangentialgeschwindigkeit erreicht wird. Die Hülse 32 führt das Wirbelgas in den Entladungsraum 22. wo es zu der Anodenanordnung 24 strömt. Schließlich enthält die Kathodenanordnung eine ringförmige Austrittskammer 33, in welche die Wirbelflüssigkeit hineinströmt, wenn sie den Entladungsraum 22 verläßt. Die geringe Restwirbelbewegung der Flüssigkeit unterstützt es dabei, durch den Auslaß 34 auszutreten, und zu einem Wärmetauscher, einer Deionisierungseinrichtung und einer (nicht dargestellten) Pumpe zurückzukehren. Der größte Teil der Kathodenanordnung kann aus einem leitenden Material wie Kupfer hergestellt sein, mit Ausnahme der Kathodenoberfläche 26. Die Anodenanordnung 24 weist eine Hohlelektrode 35 auf, die eine konusförmig ausgebildete Anodenoberfläche 36 hat und aus einem leitenden Material wie Kupfer hergestellt ist. Die Elektrode 35 hat weiterhin einen Anodenstecker 49, der gewöhnlch aus thoriertem Wolfram besteht und zwar in der Mitte der Anodenoberfläche 36. Ein Kühlmittel wird durch den Innenraum der Elektrode 35 in beliebiger herkömmlicher Art hindurchgeführt, wie es durch die Einlaßpfeile 37 und die Auslaßpfeile 38 angedeutet ist. Die Anodenanordnung weist weiterhin eine ringförmige Kammer 39 auf, in welche ein Kühlmittel durch den Einlaß 40 unter Druck eingeführt wird. Das Kühlmittel bildet einen Wirbel, der ausreichend schnell ist, um die Form eines Hohlzylinders 42 anzunehmen, welcher die Innenseite des Entladungsraumes 22 auskleidet, bevor der Austritt in die Kathodenanordnung 23 erfolgt. Die in einem solchen System verwendete Flüssigkeit ist normalerweise Wasser, es können jedoch auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, welche einen geringen Dampfdruck und/oder einen weiten Betriebstemperaturbereich aufweisen. Schließlich weist die Anodenstruktur eine ringförmige Gasaustrittskammer 43 auf, um das Gas aufzunehmen, wenn es den Entladungsraum 22 verläßt. Das Gas wird durch einen Auslaß 44 hinausgedrückt um anschließend direkt rezirkuliert zu werden oder um über einen (nicht dagestellten) Wärmetauscher geführt zu werden, und zwar zu einem Einlaß 30 in der Kathodenanordnung 23.

Während das Kühlmittel und das Gas in einer Wirbelbewegung durch den Entladungsraum 22 hindurchgeführt werden, wird ein Gieichspannungs- oder ein Wechselspannungs-Bogen gezündet und zwischen der Kathode 25 und der Anode 35 aufrechterhalten. Der Bogen wird durch die Flüssigkeitswand begrenzt und durch den Gaswirbel stabilisiert, wodurch eine Strahlung hoher Intensität erzeugt wird.

Um die Lebensdauer der Kathodenoberfläche 36 zu erhöhen, wird eine Bogenbegrenzung 45 vor der Anode 35 angebracht um eine Gasentspannungskammer 46 zwischen der Begrenzung und der Anodenoberfläche 36 zu bilden. Die Begrenzung 45 bestimmt den Durchmesser des Lichtbogens am Ende des Entladungsraumes 22. Die auf diese Weise gebildete Kammer 46 bewirkt daß das Gas beim Eintritt entspannt wird, wodurch es seine Wirbelbewegung verliert was zu einem nicht-verwirbelten, stabilisierten Bogen an der Anodenoberfläche 36 führt Die Begrenzung 45, welche ebenfalls aus Kupfer hergestellt ist das eine thorierte Wolframinnenoberfläche 47 aufweist ist vorzugsweise elektrisch gegenüber der Anode 35 isoliert braucht jedoch nicht isoliert zu sein, wenn die Innenoberfläche 47 eine ausreichend geringe Länge aufweist Diese Anode weist eine hohe Lebensdauer bei hoher Leistung auf, weil die thermische Belastung über eine große Oberfläche verteilt ist, wodurch eine wirksamere Kühlung ermöglicht wird. Obwohl die ringförmige Begrenzung 45 eine direkte Strahlung aufnimmt und auch eine bestimmte Wärme aus dem Gas abführt, trägt sie den Anodenstromfleck nicht. Die Anodenoberfläche 36 trägt die Strombelastung, die Wirkungen sind jedoch vermindert da auf dieser Oberfläche keine Wirbelstabilisierung vorhanden ist. Da hier keine Wirbelstabilisierung vorhanden ist, kann sich ein größerer Anodenfleck ausbilden und auch auf einem ringförmigen Weg rotieren, so daß die Stromdichte vermindert ist, wodurch auch die thermische Belastung herabgesetzt wird.

Zusätzlich kann ein Eisenstecker 48 hinter dem Anodenstecker 49 verwendet werden, um das Einführen eines magnetischen Feldes zu erleichtern, was dazu führt, daß ein magnetischer Druck in der Weise auf den Bogen wirkt, daß der Bogen in einer Bewegung auf einem ringförmigen Weg auf der Anodenoberfläche gehalten wird, und zwar in herkömmlicher Weise. Da der Bogenfuß in Bewegung ist, ist die Belastung eines bestimmten Teils der Anode geringer. Dies führt zu einer stark erhöhten Lebensdauer.

Die Kathode 25 projiziert normalerweise in den Entladungsraum 22, wie es in der F i g. 2 dargestellt ist. Es kann jedoch eine der Begrenzung 41 ähnliche Anordnung vor der Kathode 25 angebracht werden, so daß der Bogen einen größeren Teil der Oberfläche überdeckt, was für einen Wechselspannungs-Bogenbetrieb erwünscht wäre.

Es hat sich gezeigt daß eine Strahlungsquelle der oben beschriebenen Art eine Strahlungsausbeute von mehr als 40 Lumen pro Watt bei 140 kW aufweist. Weiterhin können durch Veränderung der Bogenparameter Spitzenausgangsleistungen im sichtbaren Bereich oder im Bereich einer anderen Wellenlänge erzeugt werden.

Ein langer Hochdruckbogen wird gewöhnlich dadurch gezündet, daß die Elektroden in einem Gaswirbel momentan berührt werden. Dies hat die Nachteile, daß die Gaswirbeistabilisierung gestört wird und oft eine empfindliche Beschädigung der Elektroden auftritt. Bewegbare Elektrodensysteme haben sich ebenfalls als unbefriedigend erwiesen, wenn nicht überhaupt als unmöglich, und zwar am oberen Ende eines Leuchtturmes mit einer Höhe von etwa 60 m.

Die F i g. 3 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Konfiguration, welche den Entladungsraum und die Elektroden annehmen können. Sie weist einen zylindrischen Entladungsraum 71 auf, weiterhin eine Kathodenanordnung 72, welche an einem Ende des Entladungsraumes 71 angebracht ist und eine Anodenanordnung 73, welche an dem anderen Ende des Entladungsraumes 71 angebracht ist um auf Abstand voneinander angeordnete koaxiale Elektroden darzustellen, zwischen denen eine Bogenentladung aufrechterhalten wird.

Die Kathodenanordnung 72 hat eine Hohlkupferelektrode 74 mit einer Kathode 75 aus thoriertem Wolfram. Ein Kühlmittel zirkuliert durch den Innenraum der Elektrode 74 in beliebiger bekannter Weise, wie es durch den Einlaßpfeil 76 und die Auslaßpfeile 77 dargestellt ist Ein träges Gas wie Argon wird in die Kathodenanordnung 72 durch den Einlaß 78 eingeführt und durch eine oder mehrere Einlaßdüsen 79 hindurchgedrückt um dem Gas eine Tangentialgeschwindigkeit zu verleihen. Die Kathodenanordnung weist weiterhin

eine ringförmige Kammer 80 auf, in welche eine Flüssigkeit oder Druck durch den Einlaß 81 eingeführt wird. Die Flüssigkeit geht durch tangentiale Düsen 82 hindurch, um einen Wirbel zu bilden, der ausreichend schnell ist, um die Form einer hohlzylindrisch geformten Wand innerhalb des Entladungsraumes 71 einzunehmen. Die Anodenanordnung weist eine Hohlkupferelektrode 83 mit einer Anodenoberfläche 84 aus reinem Wolfram oder aus Wolframlegierungen wie thoriertem Wolfram auf. Ein Kühlmittel zirkuliert durch den Innenraum der Elektrode 83 in beliebiger bekannter Weise, wie es durch den Einlaßpfeil 85 und die Auslaßpfeile 86 veranschaulicht ist

Die Anodenanordnung 73 weist weiterhin eine

expandierende Kammer 87 auf, welche um die Elektrode 83 herum am Ende der Kammer angeordnet ist. Die expandierende Kammer 87 erlaubt es, mit dem Flüssigkeitswirbel und dem Gaswirbel zu expandieren, bevor die Anodenoberfläche 84 den Bogen in die Lage versetzt, zu expandieren, bevor er die Anode erreicht. Ein Auslaß 88 ermöglicht es dem Gas, die Anodenanordnung 73 zu verlassen. Die Flüssigkeit sammelt sich in einer Flüssigkeitsspeicherkammer 89, die einen Auslaß 90 aufweist, von welchem die Flüssigkeit durch einen geeigneten Wärmetauscher hindurch abgepumpt und nachfolgend zur Rezirkulation gebracht wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung einer Strahlung mit hoher Intensität mit zwei in einem langgestreckten zylindrischen Entladungsraum auf Abstand voneinander koaxial in diesem angeordneten Elektroden, wobei ein Gas und eine Flüssigkeit in den Entladungsraum im Bereich seiner zylindrischen Wand eingeführt und in einem Ringraum entlang der zylindrischen Wand durch den Entladungsraum hindurchgewirbelt werden, wobei die Drullbewegung des Gases den Lichtbogen stabilisiert, dadurch gekennzeichnet, daß die wirbelnd eingeführte Flüssigkeit eine relativ dicke zylindrische Flüssigkeitswand (7) bildet, die den Lichtbogen begrenzt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Gas wirbelnd eingeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und das Gas konzentrisch verwirbelt sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (3, 4; 75,83) größer ist als der fünffache Durchmesser des Lichtbogens.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Entladungsraumes (2) zwischen etwa 6,3 bis 25,4 mm liegt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (83) von einer ringförmigen Gasentspannungskammer (33,87) umgeben ist.