DE3616329C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzbogenlampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Lampen mit kurzem Bogenspalt, sogenannte Kurzbogenlampen, werden in bekannter Weise als intensive Punktlichtquellen zur Anwendung in Instrumenten und zur Projektion benutzt. 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.

Eine bekannte Kurzbogenlampe (DE-OS 26 14 149), von der der Patentanspruch 1 ausgeht, weist eine abgedichtete, konkave Kammer auf, die Gas unter einem Druck von mehreren bar enthält, ferner 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 erzeugten Lichts ermöglicht. Das Lampengehäuse ist aus einem lichtundurchlässigen Zylinder aus keramischem Werkstoff gebildet, der die konkave Kammer enthält, und ist an dem dem Fenster gegenüberliegenden Ende durch eine metallische, die Anode enthaltende Elektrode abgeschlossen.

In solchen bekannten Bogenlampen können die im Inneren erzeugten Temperaturen ziemlich hoch sein und manchmal 600°C übersteigen. Da die Temperaturen an der Außenseite der Lampe wesentlich niedriger sind, bestehen über das Lampengehäuse hinweg große Temperaturgefälle. Bei bekannten Bogenlampen haben solche Temperaturgefälle die Folge, daß sich Risse im keramischen 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 eine Explosionsgefahr verursachen.

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

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispiels 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 insgesamt mit 10 be­ zeichnete bekannte Kurzbogenlampe gezeigt. Die Lampe 10 hat eine metal­ lische Basis 12, ein Gehäuse 14 sowie eine insgesamt mit 16 bezeichnete Fensteranordnung. Die Basis, das Gehäuse und die Fensteranordnung sind im Querschnitt alle kreis­ förmig und insgesamt symmetrisch um eine mittlere Längs­ achse A. Die Basis 12 ist am Gehäuse 14 mittels eines zy­ lindrischen, metallischen Bandes 17 befestigt, welches überlappend sowohl das Gehäuse als auch die Basis umgibt. In der Praxis besteht die Basis 12 aus Eisen, einem Werk­ stoff, der wegen seiner Reinheit und wegen seiner elek­ trischen 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, re­ flektierende Fläche begrenzt, welche um die Mittel­ achse A symmetrisch ist. In der Praxis kann die gekrümmte reflektierende Fläche parabolisch, elliptisch oder asphärisch sein, um einen stark kollimierten Ausgangs­ strahl zu erzeugen. Auf der reflektierenden Fläche ist üblicherweise ein reflektierender Metallüberzug nieder­ geschlagen. Die Öffnung des konkaven Hohlraums 20 wird von einem kreisförmigen Rand 24 begrenzt. Um den Rand 24 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 Scheitel­ punkt 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 an­ geordnet. Die Fensteranordnung 16 und das Gehäuse 14 wird überlappend von einem zylindrischen Metallband 38 umge­ ben, 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 be­ kannten 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 Ab­ standsring 34 befestigt. Drei Stützstreben 40 stützen eine stangenförmige, feuerfeste Kathode 4, die z. B. aus Wolfram besteht. Die Kathode 44 ist im Querschnitt kreis­ förmig 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 Zirkon und sind nötig, um während des Betriebs der Lampe 10 im Innern des Hohlraums 20 entste­ hende Verunreinigungen zu absorbieren. Solche Verunreini­ gungen können z. B. durch Entgasung von Verunreinigungen der Lampenbestandteile während des Betriebs entstehen.

Zu der in Fig. 1 gezeigten bekannten Lampe 10 gehört fer­ ner eine stabförmige Anode 50, die sich von der Basis 12 längs der Mittelachse der Lampe bis zu einer Stelle in der Nähe des Brennpunktes des konkaven Hohlraums 20 er­ streckt. Das der Spitze 45 der Kathode 44 benachbarte Ende der Anode ist in Richtung senkrecht zur Mittelachse der Lampe eben. Am Scheitelende des konkaven Hohlraums 20 be­ grenzt die zylindrische Ausnehmung 52 einen ringförmigen Raum, der das distale Ende der Anode 50 konzentrisch um­ gibt. Der Abstand zwischen diesem freien Ende der Anode 50 und der Spitze 45 der Kathode 44 bestimmt den Bogen­ spalt. Üblicherweise ist dieser Abstand größer als ca. 0,64 mm und kleiner als ca. 1,91 mm.

Beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Lampe ist der Hohl­ raum 20 mit einem inerten Gas, wie Xenon unter einem Druck von einigen bar gefüllt. Die Lampe leuchtet auf, wenn die sogenannte Durchbruchsspannung über den Bodenspalt hinweg überschritten wird, was zu einer Bogenentla­ dung 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 Er­ findung als Lampe 60 dargestellt. Die Lampe 60 weist ins­ gesamt eine Basisplatte 62, ein Gehäuse 64 von insgesamt zylindrischer Außenform sowie eine allgemein mit 66 be­ zeichnete Fensteranordnung auf. Die Basisplatte 62 ist mittels eines zylindrischen metallischen Bandes 67 am Ge­ häuse 64 abdichtend befestigt. Wie im Fall der bekannten Lampe besteht die Basisplatte 62 aus verhältnismäßig rei­ chem Eisen und das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem lichtundurchlässigen, dielektrischen, keramischen Alumi­ niumhydroxid oder Tonerdewerkstoff hergestellt, der me­ tallisiert ist.

Im Fall der in Fig. 2 gezeigten Lampe hat das keramische Gehäuse 64 einen konkaven Hohlraum 70, der eine gekrümm­ te, reflektierende Wand 72 begrenzt, die symmetrisch um die Mittelachse der Lampe ist. Auf der reflektierenden Oberfläche der Wand 72 ist üblicherweise eine reflektie­ rende 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 konka­ ven 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 sche, zylindrische Haube 82 auf, deren Innendurchmesser so gewählt ist, daß das kreisförmige Fenster 80 abdich­ tend 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, metalli­ schen Band 88 umgeben, welches den Abstandsring 83 und das Ende des Gehäuse 64 überlappt, um die Fensteranord­ nung 66 abdichtend in ihrer Lage um die Öffnung des kon­ kaven 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 be­ festigt 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 End­ bereich, 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 sol­ cher Gestalt geformt, daß die reflektierende Wand 72 in der Nähe des Brennpunktes des Hohlraums 70 verhältnismä­ ßig 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 insge­ samt kegelstumpfförmige Gestalt und an ihrem weiteren Ende einen zylindrischen Flansch 132, der sich vom weiteren Ende der Hülse zurück zum engeren Ende erstreckt. Durch die Hülse 130 erstrecken sich Löcher, 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 Wärmeleit­ zahl hat. Eine solche Kupferhülse läßt sich am keramischen Werkstoff des Lampengehäuses leicht durch Löten befestigen.

Die Vorteile eines erfindungsgemäß aufgebauten Lampenge­ häuses sind nunmehr leicht ersichtlich. Beim Betrieb einer Kurzbogenlampe werden in der Nähe des Bogenspaltes extrem hohe Temperaturen erzeugt, und die Oberfläche der konka­ ven, 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 Spannungsbelastun­ gen von ca. 552 bar 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 und damit die Wärmespannungen der reflektierenden Wand wesentlich herabgesetzt. Das liegt daran, daß die konkave und die konvexe Seite der Wand einander in ihrer Tempera­ tur 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 Wär­ meübergang von der reflektierenden Wand fließen kann. Im wesentlichen erhöht sich durch die Hülse 130 wegen ihrer hohen Wärmeleitzahl die Geschwindigkeit, mit der Wärme­ energie von der reflektierenden Wand in der Nähe des Bogen­ spaltes 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 er­ höhen. Die Zunahme der Reflektionswirkung kann unter be­ stimmten Bedingungen an 50% herankommen. Da die erfin­ dungsgemäße Lampe weniger zu Rißbildung aufgrund von Wär­ megefällen neigt, können die Lampen zuverlässig bei hö­ herem 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 reflektie­ renden Keramikwand bestand.

Claims (8)

1. Kurzbogenlampe, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse (64), das ein­ stückig mit einer eine reflektierende, konkav zum Bogenspalt zwischen den Elektroden (94, 100) geformte Fläche tragenden Wand (72) aus keramischen Werkstoff ausgebildet ist, und mit einer Basisplatte (62), einem dieser gegenüber befindlichen Fenster (66), sowie zwei in der Zylinderachse ange­ ordneten Elektroden (94, 100), dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (72) am Fensterende des Gehäuses (64) von dessen Innenseite nach innen in der Weise vorsteht, daß auf der dem Fenster (66) abgewandten Seite zwischen der Wand (72) und dem Gehäuse (64) ein konvexer Raum frei bleibt, wobei die Stärke der Wand (72) in der Nähe des Bogenspaltes zwischen den Elektroden (94, 100) am kleinsten ist und nach außen zum Gehäuse (64) hin zunimmt.

2. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Wand (72) am Ende des von ihr gebildeten konkaven Hohlraums (70) gegenüber dem Fenster (66) von einer kreisförmigen Öffnung (73) durchsetzt ist und daß der konkave Hohlraum (72) durch diese kreisförmige Öffnung (73) mit dem konvexen Raum (120) in Gasströmungsverbindung steht.

3. Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (130) von insgesamt hohler, kegelstumpfförmiger Gestalt an der Rückseite der reflektierenden Wand (72) innerhalb des konvexen Raums (120) glatt anliegend angebracht ist.

4. Kurzbogenlampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (130) an ihrem weiteren Ende einen einstückig mit ihr gebildeten, zylindrischen Flansch (132) hat, der von dem weiteren Ende zu dem engeren Ende verläuft.

5. Kurzbogenlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (130) aus Kupfer besteht.

6. Kurzbogenlampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (130) am keramischen Gehäuse (64) durch Löten befestigt ist.

7. Kurzbogenlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses (64) in der Nähe der Basisplatte (62) zylindrische Gestalt hat und daß der zylindrische Flansch (132) so geformt ist, daß er sich an den zylindrischen Wandbereich glatt anlegt.

8. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige und der zylindrische Flanschbereich der Hülse (130) durch Löten am keramischen Gehäuse (64) befestigt sind.