DE3616329A1

DE3616329A1 - Kurzbogenlampe

Info

Publication number: DE3616329A1
Application number: DE19863616329
Authority: DE
Inventors: Robert L. Palo Alto Calif. Miner; Roy D. Newark Calif. Roberts
Original assignee: ILC Technology Inc
Current assignee: Excelitas Technologies Illumination Inc
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1986-11-20
Also published as: JPS61267253A; JPH0457065B2; US4633128A; DE3616329C2

Description

Be sehre ibung
Kurzbogenlampe

Die Erfindung bezieht sich auf Bogenlampen und betrifft insbesondere Bogenlampen mit kurzem Bogenspalt.

Es ist bekannt, Lampen mit kurzem Bogenspalt zu benutzen, um intensive Punktlichtquellen zur Anwendung in Instrumenten und zur Projektion zu schaffen. Insbesondere ist es bekannt, Kurzbogenlampen in medizinischen Endoskopen zu verwenden, wo sie als Beleuchtungskörper für Faseroptikbündel dienen, die eine visuelle Untersuchung von Körperkanälen und benachbarten Organen ohne herkömmliche Chirurgie ermöglichen. Kurzbogenlampen werden auch in industriellen Endoskopen benutzt, um Strukturen und Komponenten zu prüfen, die schwer visuell zu untersuchen sind, wie das Innere von Strahltriebwerken. Insgesamt gesehen haben solche Lampen eine abgedichtete, konkave Kammer, die Gas unter mehreren Atmosphären Druck enthält, eine Anode und eine Kathode, die längs der Mittelachse der konkaven Kammer so angebracht sind, daß sie einen Bogenspalt begrenzen, sowie ein Fenster an der Mündung der Kammer, welches den Durchtritt des durch elektrische Entladung über den Bogenspalt hinweg erzeugten Lichts ermöglicht. Es ist bekannt, daß das Lampengehäuse aus einem lichtundurchlässigen Zylinder aus keramischem Werkstoff gebildet sein kann, und daß die konkave Kammer in einem Ende des Zylinders mittels eines Dorns oder dgl. ausgebildet sein kann.

In solchen bekannten Bogenlampen können die im Innern erzeugten Temperaturen ziemlich hoch sein und manchmal 600° C übersteigen. Da die Temperaturen an der Außenseite

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der Lampe wesentlich niedriger sind, bestehen über das Lampengehäuse hinweg große Temperaturgefälle. Bei bekannten Bogenlampen haben solche Temperaturgefälle beispielsweise die Folge/ daß sich Risse im keramischen Körper bzw. Gehäuse oder in der Reflektoroberfläche bilden, und zwar besonders wenn die Lampen bei hohen Leistungen von z. B. über 800 Watt benutzt werden. Diese Rißbildung kann zu Ungleichmäßigkeiten oder Verfärbungen der reflektierenden Fläche der Lampe führen und damit den Wirkungsgrad der Lampe als Beleuchtungskörper verringern. Außerdem kann die Rißbildung potentiell Explosionsgefahr verursachen.

β Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kurzbogenlampe mit einem keramischen Gehäuse zu schaffen, bei der die Tendenz zu Rißbildung aufgrund von Temperaturgefällen und unter Wärmespannungen verringert ist, und die insbesondere bei höheren Leistungen betrieben werden kann.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine Kurzbogenlampe geschaffen, die folgendes aufweist: Einen Körper bzw. ein Gehäuse aus einem lichtundurchlässigen, dielektrischen Werkstoff mit einem darin ausgebildeten konkaven Hohlraum, der eine gekrümmte reflektierende Wand begrenzt, welche um die Mittelachse der Lampe herum symmetrisch ist; eine lichtdurchlässige Fensteranordnung, die abdichtend über die öffnung des konkaven Hohlraums hinweg so angebracht ist, daß im Hohlraum Gas unter Druck beibehalten wird; ein Paar im Innern des Hohlraums angebrachte Elektroden, die sich längs der Mittelachse erstrecken, wobei die freien Enden der Elektroden einen so großen Abstand voneinander haben, daß sie einen kurzen Bogenspalt am Brennpunkt der gekrümmten reflektierenden Wand bilden; eine Basisplatte, die am Gehäuse an der der öffnung des konkaven Hohlraums gegenüberliegenden Seite abdichtend befestigt ist; und einen konvexen Raum innerhalb des Gehäuses hinter der reflektierenden Wand, so daß die reflektierende Wand in der Nähe des

Brennpunktes des konkaven Hohlraums verhältnismäßig dünn und vergleichsweise dicker radial außerhalb der Mittelachse ist.

Die Erfindung bietet den Vorteil einer Kurzbogenlampe mit einem keramischen Gehäuse, welches weniger zu Rißbildung aufgrund von Temperaturgefällen neigt. Die Lampe kann infolgedessen auf höherem Leistungsniveau betrieben werden.

*ß Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert-. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bekannte Lampe; Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße

Lampe;

Fig. 3 eine bildliche Darstellung eines Bestandteils der in Fig. 2 gezeigten Lampe.

In Fig. 1 ist eine hoch intensive, insgesamt mit 10 bezeichnete bekannte Lampe gezeigt, die allgemein als Kurzbogenlampe bezeichnet wird. Die Lampe 10 hat eine metallische Basis 12, ein Gehäuse 14 sowie eine insgesamt mit 16 bezeichnete Fensteranordnung. Die Basis, das Gehäuse und die Fensteranordnung sind im Querschnitt alle kreisförmig und insgesamt symmetrisch um eine mittlere Längsachse A. Die Basis 12 ist am Gehäuse 14 mittels eines zylindrischen, metallischen Bandes 17 befestigt, welches überlappend sowohl das Gehäuse als auch die Basis umgibt. In der Praxis besteht die Basis 12 aus Eisen, einem Werkstoff, der wegen seiner Reinheit und wegen seiner elektrischen und thermischen Leitfähigkeitsmerkmale gewählt wird. Die Basis 12 dient nicht nur als Kühlkörper sondern auch als elektrischer Leiter, um Strom zu den Elektroden in der Lampe zu führen.

Das Gehäuse 14 besteht in der Praxis vorzugsweise aus einem keramischen Tonerdematerial und ist außerdem metal-

lisiert, um die Befestigung metallischer Komponenten an ihm zu erleichtern, beispielsweise durch Löten. Solche Metallisierung kann ein Gemisch aus Molybdän und Mangan aufweisen und ist am keramischen Werkstoff des Gehäuses 14 durch Brennen fixiert.

Das Gehäuse 14 der in Fig. 1 gezeigten bekannten Lampe hat einen konkaven Hohlraum 20, der eine gekrümmte, reflektierende Fläche 22 begrenzt, welche um die Mittelachse A symmetrisch ist. In der Praxis kann die gekrümmte reflektierende Fläche 22 parabolisch, elliptisch oder asphärisch sein, um einen stark kollimierten Ausgangsstrahl zu erzeugen. Auf der reflektierenden Fläche 22 ist üblicherweise ein reflektierender Metallüberzug niedergeschlagen. Die Öffnung des konkaven Hohlraums 20 wird von einem kreisförmigen Rand 24 begrenzt. Um den Rand herum ist ein keramischer Abstandsring 26 befestigt. Es sei noch darauf hingewiesen, daß das Gehäuse 14 der in Fig. 1 gezeigten Lampe mit Ausnahme einer am Scheitelpunkt des konkaven Hohlraums 20 gebildeten zylindrischen Ausnehmung 52 im wesentlichen massiv ist.

Die Fensteranordnung 16 der Lampe 10 gemäß Fig. 1 paßt abdichtend auf den Abstandsring 26, wodurch der Hohlraum 20 gasdicht ist. Zu der Fensteranordnung 16 gehört ein transparentes, kreisförmiges Fenster 30, beispielsweise in Form einer Saphirscheibe. Den Außenumfang des Fensters 30 umgibt ein kreisförmiger Flansch 32 in U-Form, dessen Innendurchmesser so gewählt ist, daß das Fenster 30 eng hineinpaßt. Zwischen dem Flansch 32 und dem keramischen Abstandsring 26 ist ein metallischer Abstandsring 34 angeordnet. Die Fensteranordnung 16 und das Gehäuse 14 wird überlappend von einem zylindrischen Metallband 38 umgeben, welches die Fensteranordnung am Gehäuse befestigt. Das Metallband 38 dient auch dazu, Strom von einer Kathode 44 durch den metallischen Abstandsring 34 und Stützstreben 40 zu leiten.

Zu der Fensteranordnung 16 der in Fig. 1 gezeigten bekannten Lampe 10 gehören nämlich auch radial verlaufende Stützstreben 40, die mit ihren radial äußeren Enden am Abstandsring 34 befestigt und so angeordnet sind, daß sie sich radial nach innen über die Fläche des Fensters 30 erstrecken. In der Praxis sind die Stützstreben 40 aus Molybdän geformt und beispielsweise durch Löten am Abstandsring 34 befestigt. Drei Stützstreben 40 stützen eine stangenförmige, feuerfeste Kathode 44, die z. B. aus Wolfram besteht. Die Kathode 44 ist im Querschnitt kreisförmig und hat einen Endbereich, der sich zu einer Spitze 45 dem Brennpunkt des Hohlraums 20 benachbart verjüngt.

An der Fensteranordnung 16 sind mittels der Stützstreben 40 und der Kathode 44 Metallstreifen befestigt, die als Getter 46 bezeichnet werden. Diese Getter 46 bestehen üblicherweise aus Zircon und sind nötig, um während des Betriebs der Lampe 10 im Innern des Hohlraums 20 entstehende Verunreinigungen zu absorbieren. Solche Verunreinigungen können z. B. dprch Entgasung von Verunreinigungen der Lampenbestandteile während des Betriebs entstehen.

Zu der in -Fig. 1 gezeigten bekannten Lampe 10 gehört ferner eine stabförmige Anode 50, die sich von der Basis längs der Mittelachse der Lampe bis zu einer Stelle in der Nähe des Brennpunktes des konkaven Hohlraums 20 erstreckt. Das der Spitze 45 der Kathode 44 benachbarte Ende der Anode ist in Richtung normal zur Mittelachse der Lampe eben. Am Scheitelende des konkaven Hohlraums 20 begrenzt die zylindrische Ausnehmung 52 einen ringförmigen Raum, der das distale Ende der Anode 50 konzentrisch umgibt. Der Abstand zwischen diesem freien Ende der Anode 50 und der Spitze 45 der Kathode 44 bestimmt den Bogenspalt. üblicherweise ist dieser Abstand größer als ca. 0,64 mm (0,025 Zoll) und kleiner als ca. 1,91 mm (0,075 Zoll).

Beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Lampe ist der Hohl-

raum 20 mit einem inerten Gas, wie Xenon unter einem Druck von einigen Atmosphären gefüllt. Die Lampe leuchtet auf/ wenn die sogenannte Durchbruchsspannung über den Bogenspalt hinweg überschritten wird, was zu einem illuminierenden Elektronenfluß, d. h. zu einer Bogenentladung über den Spalt hinweg von der Kathode 44 zur Anode 50 führt. Solche Lampen arbeiten typischerweise von ca. 150 W bis 500 W.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Kurzbogenlampe gemäß der Erfindung als Lampe 60 dargestellt. Die Lampe 60 weist insgesamt eine Basisplatte 62, ein Gehäuse 64 von insgesamt zylindrischer Außenform sowie eine allgemein mit 66 bezeichnete Fensteranordnung auf. Die Basisplatte 62 ist mittels eines zylindrischen metallischen Bandes 67 am Gehäuse 64 abdichtend befestigt. Wie im Fall der bekannten Lampe besteht die Basisplatte 62 aus verhältnismäßig reinem Eisen und das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem lichtundurchlässigen, dielektrischen, keramischen Aluminiumhydroxid oder Tonerdewerkstoff hergestellt, der metallisiert ist.

Im Fall der in Fig. 2 gezeigten Lampe hat das keramische Gehäuse 64 einen konkaven Hohlraum 70, der eine gekrümmte, reflektierende Wand 72 begrenzt, die symmetrisch um die Mittelachse der Lampe ist. Auf der reflektierenden Oberfläche der Wand 72 ist üblicherweise eine reflektierende Beschichtung niedergeschlagen, und die Fläche kann parabolisch, elliptisch oder asphärisch sein. In der Mitte erstreckt sich durch die reflektierende Wand 72 am Scheitelende des Hohlraums 50 der öffnung gegenüber eine kreisförmige öffnung 73. Das Gehäuse 64 hat ferner einen kreisförmigen Randbereich 74, der die öffnung des konkaven Hohlraums 70 begrenzt. Um den Randbereich 74 herum kann ein keramischer Abstandsring 75 vorgesehen sein.

Die Fensteranordnung 66 der Lampe gemäß Fig. 2 weist ein transparentes, kreisförmiges Fenster 80 und eine metalli-

sehe, zylindrische Haube 82 auf, deren Innendurchmesser so gewählt ist, daß das kreisförmige Fenster 80 abdichtend hineinpaßt. Die Haube 82 ist von einem metallischen Abstandsring 83 umgeben, dessen Außendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des Gehäuses 64 entspricht. Die Fensteranordnung 66 ist von einem zylindrischen, metallischen Band 88 umgeben, welches den Abstandsring 83 und das Ende des Gehäuses 64 überlappt, um die Fensteranordnung 66 abdichtend in ihrer Lage um die öffnung des konkaven Hohlraums 70 herum zu halten.

Die Fensteranordnung 66 der Lampe gemäß Fig. 2 weist ferner radial verlaufende Stützglieder 90 auf, die mit ihren radial äußeren Enden an der zylindrischen Haube befestigt und so angeordnet sind, daß sie sich nach innen erstrecken, um eine Kathode 94 abzustützen, die sich längs der Mittelachse der Lampe bis zu einer Stelle dem Brennpunkt des konkaven Hohlraums 70 benachbart erstreckt. Die Kathode ist ein langgestrecktes Glied, welches im Querschnitt insgesamt kreisförmig ist, und hat einen Endbereich, der in der Nähe des Brennpunktes des Hohlraums 70 zu einer Spitze 95 zusammenläuft.

Die Lampe 60 gemäß Fig. 2 hat ferner eine Anode 100, die sich längs der Mittelachse der Lampe bis zu einer Stelle in der Nähe des Brennpunktes des konkaven Hohlraums 70 erstreckt. Mit ihrem anderen Ende ist die Anode an der Basisplatte 62 befestigt.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Lampe weist die Lampe 60 gemäß der Erfindung einen konvexen Raum 120 auf, der innerhalb des Gehäuses 64 hinter der reflektierenden Wand 72 gebildet ist. Im einzelnen ist der konvexe Raum 120 symmetrisch um die Mittelachse der Lampe und zu solcher Gestalt geformt, daß die reflektierende Wand 72 in der Nähe des Brennpunktes des Hohlraums 70 verhältnismässig dünn und vergleichsweise dicker radial außerhalb von der Mittelachse der Lampe ist und daß der Bereich der

Gehäusewand in der Nähe der Basisplatte in seiner inneren Gestalt zylindrisch ist. Es sei noch darauf hingewiesen, daß der konkave Hohlraum 70 über die kreisförmige öffnung 73 durch die reflektierende Wand 72 mit dem konvexen Raum 120 in Gasströmungsverbindung steht.

Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, weist die Lampe 60 gemäß der Erfindung auch eine metallische Hülse 130 auf, die innerhalb des konvexen Raums 120 so angebracht ist, daß sie flach an der Rückseite der reflektierenden Wand 72 anliegt. Wie Fig. 3 zeigt, hat die Hülse 130 eine insgesamt kegelstumpfförmige Gestalt und an ihrem weiteren Ende einen zylindrischen Flansch 32, der sich vom weiteren Ende der Hülse zurück zum engeren Ende erstreckt. Durch die Hülse 130 erstrecken sich Löcher 134, die eine Entgasung aus dem keramischen Werkstoff ermöglichen, aus dem die reflektierende Wand 72 besteht. Die Hülse ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, weil dieses eine hohe Wärmeleitzahl hat. Eine solche Kupferhülse läßt sich am keramischen Werkstoff des Lampengehäuses leicht durch Löten befestigen.

Die Vorteile eines erfindungsgemäß aufgebauten Lampengehäuses sind nunmehr leicht ersichtlich. Beim Betrieb einer Kurzbogenlampe werden in der Nähe des Bogenspaltes extrem hohe Temperaturen erzeugt, und die Oberfläche der konkaven, reflektierenden Wand in der Nähe des Bogenspaltes kann Temperaturen von ca. 600° C erreichen. Da das Äußere des Lampengehäuses viel niedrigeren Temperaturen in ihrer Betriebsumgebung ausgesetzt ist, bestehen beträchtliche Temperaturgefälle zwischen dem Brennpunkt der Lampe und der Außenseite des Gehäuses. Es ist berechnet worden, daß solche Temperaturgefälle beispielsweise Spannungsbelastungen von ca. 551,58 bar (8000 psi) an der Oberfläche der Reflektorwand verursachen, und solche Belastungen führen zur Rißbildung in der Oberfläche der Reflektorwand. Bei der Lampe gemäß der Erfindung mit einer reflektierenden Wand 72, die in der Nähe des Brennpunktes des Hohlraums 70 verhältnismäßig dünn ist, sind die Temperaturgefälle

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und damit die Wärmespannungen der reflektierenden Wand wesentlich herabgesetzt. Das liegt daran, daß die konkave und die konvexe Seite der Wand einander in ihrer Temperatur näher sind, als wenn eine dicke Wand vorhanden ist. Außerdem wird durch Konvektion und Strahlung durch den konvexen Raum 120 die Strömung von Wärmeenergie von der reflektierenden Wand verbessert. Schließlich trägt die Hülse 130 dazu bei, daß Wärmeenergie durch leitenden Wärmeübergang von der reflektierenden Wand fließen kann. Im wesentlichen erhöht sich durch die Hülse 130 wegen ihrer hohen Wärmeleitzahl die Geschwindigkeit, mit der Wärmeenergie von der reflektierenden Wand in der Nähe des Bogenspaltes verteilt oder abgeleitet wird. Der Flanschbereich 132 bildet einen leitfähigen Weg für die Wärme, damit sie die Außenwand der Lampe erreichen kann.

Es hat sich in der Praxis erwiesen, daß die verringerten Temperaturen an der Oberfläche der reflektierenden Wand auch den Reflektionswirkungsgrad der Wand wesentlich erhöhen. Die Zunahme der Reflektionswxrkung kann unter bestimmten Bedingungen an 50 % herankommen. Da die erfindungsgemäße Lampe weniger zu Rißbildung aufgrund von Wärmegefällen neigt, können die Lampen zuverlässig bei höherem Energieniveau betrieben werden. Erfindungsgemäße Lampen sind beispielsweise bei 800 bis 1000 W eingesetzt worden, ohne daß sich Risse gebildet haben. Lampen, die sich die Erfindung nicht zunutze machen konnten, waren nicht für mehr als 500 W zu brauchen, ohne daß ziemlich große Wahrscheinlichkeit der Rißbildung in der reflektierenden Keramikwand bestand.

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Claims

ILC TECHNOLOGY, INC., Sunnyvale, CaI., USA Kurzbogenlampe

Priorität: 17. Mai 1985 -USA- Ser. No. 735 380

Patentan Sprüche

1/ Kurzbogenlampe,

gekennzeichnet durch

- ein insgesamt zylindrisches Gehäuse aus einem lichtundurchlässigen, dielektrischen Werkstoff mit einem darin ausgebildeten konkaven Hohlraum, der eine gekrümmte, reflektierende Wand begrenzt, die um eine Mittelachse der Lampe symmetrisch ist;

- eine lichtdurchlässige Fernsteranordnung, die abdichtend über die öffnung des konkaven Hohlraums hinweg so angebracht ist, daß unter Druck innerhalb des Hohlraums gehalten werden kann;

- ein Paar Elektroden, die in dem Hohlraum so angebracht sind, daß sie sich längs der Mittelachse erstrecken, wobei die distalen Enden der Elektroden einen Abstand voneinander haben, der einen kurzen Bogenspalt am Brennpunkt der gekrümmten, reflektierenden Wand bestimmt;

- eine Basisplatte, die am zylindrischen Gehäuse an dem der öffnung des konkaven Hohlraums gegenüberliegenden Ende abdichtend befestigt ist; und

- einen konvexen Raum, der innerhalb des Gehäuses hinter der reflektierenden Wand symmetrisch um die Mittelachse gebildet ist und solche Gestalt hat, daß die reflektierende Wand in der Nähe des Brennpunktes des konkaven Hohlraums verhältnismäßig dünn und vergleichsweise dicker radial nach außen von der Mittelachse ist.
2. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die reflektierende Wand am Ende des konkaven Hohlraums gegenüber der Fensteranordnung von einer kreisförmigen öffnung durchsetzt ist, und daß der konkave Hohlraum durch diese kreis-

förmige öffnung mit dem konvexen Raum in Gasströmungsverbindung steht.
3. Kurzbogenlampe nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Hülse von insgesamt hohler, kegelstumpfförmiger Gestalt an der Rückseite der reflektierenden Wand innerhalb des konvexen Raums glatt anliegend angebracht ist.
4. Kurzbogenlampe nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse an ihrem weiteren Ende einen einstückig mit ihr gebildeten, zylindrischen Flanschbereich hat, der von dem weiteren Ende zu dem engeren Ende verläuft.
5. Kurzbogenlampe nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse aus Kupfer hergestellt ist.
6. Kurzbogenlampe nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse am keramischen Gehäuse durch Löten befestigt ist.
7. Kurzbogenlampe nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Innenwand des Gehäuses in der Nähe der Basisplatte eine zylindrische Gestalt hat, und daß der zylindrische Flanschbereich so geformt ist, daß' er sich an den zylindrischen Wandbereich glatt anlegt.
8. Kurzbogenlampe nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß der kegelstumpfförmige Teil der Hülse und der zylindrische Flanschbereich der Hülse beide durch Löten am keramischen Werkstoff des Gehäuses der Lampe befestigt sind.