EP2443648A1 - Lampeneinheit - Google Patents

Lampeneinheit

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Publication number
EP2443648A1
EP2443648A1 EP10722938A EP10722938A EP2443648A1 EP 2443648 A1 EP2443648 A1 EP 2443648A1 EP 10722938 A EP10722938 A EP 10722938A EP 10722938 A EP10722938 A EP 10722938A EP 2443648 A1 EP2443648 A1 EP 2443648A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lamp unit
lamp
reflector
discharge space
annular gap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10722938A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alex Voronov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
Heraeus Noblelight GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Noblelight GmbH filed Critical Heraeus Noblelight GmbH
Publication of EP2443648A1 publication Critical patent/EP2443648A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/30—Vessels; Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/70—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr
    • H01J61/72—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr having a main light-emitting filling of easily vaporisable metal vapour, e.g. mercury
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H01J65/042—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field

Definitions

  • the invention relates to a lamp unit comprising at least one low-pressure mercury lamp and at least one reflector, wherein the lamp unit has a lamp unit longitudinal axis, along which a discharge space containing a filling gas extends.
  • Lamp units comprising at least one low-pressure mercury lamp and at least one reflector are widely used for lighting and UV applications, such as for browning, for UV sterilization or for activating chemical reactions.
  • the excitation of the filling gas is carried out by projecting into the discharge space electrodes or electrodeless by capacitive, inductive or micro-shaftelleunter basic excitation.
  • Mercury low pressure lamps are characterized by a high efficiency of about 40% for the conversion of electrical energy in UVC radiation. This results in typical performances of modern low-pressure mercury lamps around 100 watts and power densities around 1 W / cm.
  • a further increase in power density while maintaining high efficiency can theoretically be achieved by increasing the operating current and simultaneously increasing the lamp diameter.
  • the enlargement of the lamp diameter has a physical limit due to the so-called “self-absorption".
  • the "self-absorption" is based on interactions of the UVC photons with the mercury atoms in the filling gas atmosphere and manifests itself both at too high mercury levels. Over-concentrations as well as too long path lengths of the UVC photons within the discharge space in a decrease in the intensity or the efficiency of the UVC emission noticeable.
  • the nominal operating current of a low-pressure mercury lamp is usually designed for optimum mercury concentration in the discharge space and, accordingly, maximum UVC intensity. Exceeding the nominal operating current causes an increase in the temperature and thus the mercury concentration in the filling gas, which in turn leads to a higher self-absorption and thus to a reduction in U VC intensity.
  • amalgam lamps mercury is introduced into the discharge space in the form of an amalgam alloy.
  • the binding of the mercury in the amalgam counteracts its release into the discharge space. This allows higher operating currents (higher temperatures), so that compared to conventional mercury low pressure lamps three to six times higher performance and power densities can be achieved.
  • the further increase of the operating current above the optimum value also leads to higher losses due to self-absorption in amalgam lamps.
  • the invention has for its object to provide a lamp unit with very high power and power density and high efficiency of UVC radiation. Based on a lamp unit of the type mentioned, this object is achieved in that the discharge space forms a circumferential annular gap or an interrupted annular gap, which is bounded by a Abstrahlmantel Structure and by a reflector outer surface, which is associated with the reflector.
  • the radial cross section of the discharge space (seen in the direction of the lamp unit longitudinal axis) is not circular as usual, but annular.
  • the radial cross section of the discharge space is not circular as usual, but annular.
  • a ring with round, oval or polygonal cross-section is not circular as usual, but annular.
  • the discharge space forms at least over most of its length either a uniform, continuous space in the form of a closed, circumferential annular gap, or it is composed of several subspaces, each extending along the lamp unit longitudinal axis.
  • the lamp unit according to the invention comprises only a single mercury low-pressure lamp with an annular discharge space.
  • each of the discharge space subspaces can each be assigned to a low-pressure mercury lamp.
  • the discharge space subspaces (or the low-pressure mercury lamps, for example) consist of hollow-cylindrical elements. These are arranged around the lamp unit longitudinal axis so that they form the radially interrupted, approximately annular gap-shaped discharge space.
  • each subspace can be assigned a separate reflector, or the subspaces share one or more reflectors.
  • the discharge space has a total of - at least approximately - the shape of a hollow cylinder.
  • One of the two cylinder jacket surfaces of the discharge space forms the emission surface over which the UV working radiation is emitted.
  • the other cylindrical surface of the reflector is assigned. It is for example designed as a reflector or it is limited by a reflective medium. This cylinder jacket surface forms the reflector outer surface according to the invention.
  • the UVC photons emitted in the direction of the reflector are reflected back at the reflector and thus are not lost but contribute to the UVC flux.
  • the hollow-cylindrical, annular-gap-shaped discharge space in the lamp unit according to the invention enables a larger one Discharge space volume, which is determined at a given width of the discharge space by its outer diameter.
  • the larger volume allows the application of a higher operating current and thus a higher power and power density of the lamp unit according to the invention (while maintaining an optimal mercury concentration in the filling gas).
  • the width of the annular gap-shaped discharge space can be kept so small that the effect of "self-absorption" is maximally avoided by increasing the path length for the UVC photons the operating current, which can be determined by a few experiments.
  • the comparatively larger outer diameter of the discharge space and the additional inner wall lead to a noticeable enlargement of the free lamp surface, resulting in a more effective cooling of the lamp unit.
  • a more effective cooling counteracts a temperature increase during operation and thus also allows a higher operating current without exceeding the optimum mercury concentration in the filling gas.
  • the walls which delimit the annular gap inwards and outwards can have the same cross-sectional geometry or they can differ in their cross-sectional geometries. In the simplest case, the cross-sectional geometries are the same and the walls are coaxial with one another, so that the annular gap has the same gap width everywhere.
  • the reflector adjoining the discharge space is designed either as a separate component or as a coating in the area of the reflector outer surface.
  • the reflector may be provided on the outside of the discharge space, whereby the inner wall serves as a radiation jacket surface and the lamp unit acts as a cylindrical, inner radiating "inner radiator.”
  • the annular gap has an inner wall formed as a reflector outer surface.
  • the discharge space has an outwardly facing, closed or interrupted Abstrahlmantelization over which the UV working radiation passes to the outside.
  • Opposite is an inwardly facing, closed or interrupted reflector provided jacket surface adjacent to a reflector.
  • the reflector is formed either as a separate component or as a coating in the area of the reflector outer surface.
  • the annular gap-shaped discharge space has a gap width of a maximum of 40 mm, preferably a maximum of 35 mm.
  • the annular gap-shaped discharge space has an average gap width of at least 10 mm, preferably at least 15 mm.
  • the lamp unit according to the invention with an annular gap-shaped discharge space and adjoining reflector shows, for the reasons explained above, a positive effect on the power and efficiency of the UVC radiation even at a small inner diameter of the annular gap.
  • the production of the lamp unit according to the invention compared to conventional lamps requires a certain amount of additional design work, which is economically justifiable only by a significant increase in UVC performance.
  • a large inner diameter of more than 10 mm leads to a marked increase in the discharge volume without increasing the self-absorption. Therefore, the largest possible inner diameters of the low-pressure mercury lamp are preferred.
  • preferred outside diameters of the low-pressure mercury lamp are more than 20 mm, preferably more than 35 mm.
  • a reflector made of a dielectric material is advantageous. Therefore, in a preferred embodiment of the mercury low-pressure lamp according to the invention a reflector is preferred, which consists of a dielectric material. In this context, a reflector has proven particularly useful, which is designed as a reflective layer of opaque quartz glass.
  • the reflection properties are based on "diffuse reflection.” It has been shown that reflection layers made of opaque quartz glass in certain wavelength ranges make it possible to achieve reflectivities that are comparable to those of metallic reflectors.
  • the discharge space is formed as a circumferential annular gap between an outer tube and an inner tube.
  • the inner tube is disposed coaxially or eccentrically within the outer tube.
  • the cross-sectional geometries of inner tube and outer tube are the same or different and may be, for example, round, oval or polygonal.
  • the discharge space is particularly easy to realize as a circumferential, closed annular gap between pipes.
  • a coaxial or eccentric arrangement of inner tube and outer tube requires either a special adaptation of the electrode shape to the internal geometry of the discharge space or a special design of the discharge space in the region of the electrodes, for example a circular length portion of the discharge space. This effort is eliminated in an electrodeless excitation of the filling gas.
  • the reflector adjoining either the inner tube or the outer tube is preferably provided on the side of the tube facing away from the discharge space.
  • the reflector material facing away from the discharge space is not exposed to the discharge in the discharge space and there are no impurities to the filling gas.
  • the discharge space is composed as a radially interrupted annular gap of a plurality of low-pressure mercury lamp modules, which are arranged around the lamp unit longitudinal axis, the cylinder longitudinal axis parallel to the lamp unit longitudinal axis runs.
  • the annular gap is interrupted and its ring shape is approximated by the annular arrangement of the discharge spaces of the individual lamp modules.
  • the lamp modules are arranged on an envelope around the lamp unit longitudinal axis.
  • the lamp modules are designed identically as low-pressure mercury lamps with a conventional, cylindrical discharge space, for example with a discharge space which is circular or polygonal in cross-section.
  • the annular arrangement of the lamp modules forms in cross-section (seen in the direction of the lamp longitudinal axis) approximately a circular ring, an oval or a polygonal.
  • the individual lamp modules can be stored in a frame or they are connected to each other, for example by gluing or welding, and so fixed in the ring shape.
  • the surface area of the respective lamp module wall facing the lamp longitudinal axis acts either as a reflector surface or as a radiation surface.
  • the area acting as a reflector surface area is provided with a reflective layer or it adjoins a reflector.
  • the respective opposite area of the lamp module wall acts as a radiating surface.
  • a designed as a separate component reflector is provided by the lamp modules enclose a cylindrical interior, in which a cylindrical reflector component, for example in the form of a rod or tube is used.
  • the lamp unit according to the invention serves, in particular, to provide particularly high UVC powers and power densities.
  • a preferred embodiment of the lamp unit contributes to this, in which the at least one low-pressure mercury lamp is designed as an amalgam lamp.
  • the lamp unit according to the invention is distinguished by high power densities of preferably at least 5 W / cm, particularly preferably of at least 10 W / cm.
  • the unit W / cm refers to the length of the lamp unit viewed in the direction of its longitudinal axis.
  • FIG. 1 shows a radial cross section of a first embodiment of the mercury low-pressure lamp according to the invention with a circulating discharge space
  • FIG. 2 shows a radial cross section of an embodiment of the mercury low-pressure lamp according to the invention with an interrupted discharge space
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the mercury low-pressure lamp according to the invention with an interrupted discharge space in a radial cross section
  • FIG. 4 shows a radial cross section of a further embodiment of the mercury low-pressure lamp according to the invention with a circulating discharge space.
  • the lamp unit 1 comprises an amalgam lamp 10 and a reflector 5.
  • the amalgam lamp 10 has an outer tube 8, in which an inner tube 9 is arranged coaxially with the longitudinal axis of the lamp unit 7.
  • Outer tube 8 and inner tube 9 are fused together at the front ends, so that between the outer tube 8 and inner tube 9, a vacuum-tight, annular in the illustrated cross-section, circumferential annular gap is generated, which forms the discharge space 6 of the amalgam lamp 10.
  • a discharge (not shown) is welded to the discharge space 6 in the usual way, containing mercury atoms in an amalgam alloy.
  • the filling gas is excited by microwaves or inductively with high frequency.
  • the longitudinal axis 7 of the lamp unit 1 is perpendicular to the plane of the page.
  • the inner tube 9 is made of quartz glass and is provided on its side facing away from the discharge space 6 inside with a reflector layer 5.
  • the reflector layer 5 is designed in the form of a 0.5 mm thick layer of opaque, synthetic quartz glass on the inner wall of the inner tube 9. For reasons of a clearer illustration, the thickness of the reflector layer 5 in Fig. 1 is exaggerated.
  • the inner tube 9 has an outer diameter of 28 mm (wall thickness: 1, 5 mm).
  • the outer tube 8 is also made of quartz glass and has an inner diameter of 51 mm (wall thickness: 2 mm).
  • the discharge space 6 thus has a radially uniform gap width of about 11, 5 mm.
  • the outer cylinder jacket of the outer tube 8 forms an outwardly facing, closed Abstrahlmantel phenomenon over which the UV working radiation passes to the outside, and the inner tube 9 forms the reflector outer surface in the context of the invention.
  • the operating current optimized for the same width of the discharge space and thus the number of UVC photon emitting atoms can be increased in comparison with conventional mercury low-pressure lamps, resulting in particularly high power, power density and efficiency of the UVC radiation Contributes that the UVC photons emitted in the direction of the reflector layer 5, are reflected back and thus not completely lost.
  • the discharge space 26 is formed as an interrupted annular gap.
  • the discharge space 26 is composed of a multiplicity (in the exemplary embodiment: twelve) of cylindrical lamp modules 20, which are fixed in a frame on the front side in such a way that their cylinder longitudinal axes run parallel to the lamp longitudinal axis 27.
  • the lamp modules 20 form a radially interrupted, annular arrangement around the lamp unit longitudinal axis 27.
  • the lamp modules 20 are identically constructed mercury low-pressure lamps (amalgam lamps) with a conventional, cylindrical discharge space having a typical length of up to 2 m and a typical outside diameter in the range of 15 mm to 8 mm, in the exemplary embodiment an outside diameter of 22 mm.
  • the arrangement of the lamp modules 20 forms in cross-section (viewed in the direction of the lamp unit longitudinal axis 27) a radially interrupted annular ring with a clear width of about 20 mm, wherein the outwardly facing, indicated by the reference numeral 23 surface areas of the respective lamp modules 20 act as a radiating surface, and the opposing surface portions 24 as a reflector surface.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a lamp unit 3 with an interrupted discharge space 36.
  • the interrupted discharge space 36 is assembled by four area radiators 30 arranged in the rectangle.
  • the surface radiators 30 are connected together, in the embodiment by gluing.
  • the cylinder longitudinal axes of the lamp modules 30 each extend parallel to the lamp unit longitudinal axis 37.
  • the surface radiators 30 are identically constructed low-pressure mercury lamps (amalgam lamps) each having a rectangular discharge space with the dimensions 12 mm ⁇ 28 mm (height ⁇ width) and with a typical length of 1 m to 2 m, in the exemplary embodiment 1, 5 m.
  • the outwardly facing surface regions 33 act as a radiating surface and the opposing surface regions 34 as a reflector surface.
  • the reflector is formed by an aluminum hollow profile 35 with an edge length of about 30 mm, against which the lamp modules 30.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a lamp unit 4 according to the invention, which is essentially formed from an amalgam lamp 40 with a circumferential, annular-gap-shaped discharge space 46 and a reflector 45.
  • the discharge space 46 is formed as an annular gap between an outer tube 8 and an inner tube 9 inserted therein coaxially with the lamp unit longitudinal axis 47.
  • the lamp unit 4 differs from the embodiment explained with reference to FIG. 1 only in that the reflector 45 is provided on the cylinder jacket surface of the outer tube 8 facing away from the discharge space 46.
  • the reflector 45 is in the form of a 0.5 mm thick layer of opaque, synthetic quartz glass (the thickness of the reflector layer 45 is exaggerated in size).
  • the outer cylinder jacket of the outer tube 48 therefore forms the reflector outer surface in the context of the invention and the inner tube 9 forms an inwardly directed, closed Abstrahlmantel phenomenon over which the UV working radiation exits to the inside.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Es wird ausgegangen von einer Lampeneinheit mit einer Quecksilberniederdrucklampe und einem Reflektor, wobei sich ein Füllgas enthaltender Entladungsraum entlang einer Lampeneinheit-Längsachse erstreckt. Um hiervon ausgehend eine Lampeneinheit mit besonders hoher Leistung und Leistungsdichte sowie hoher Effizienz der UVC-Strahlung anzugeben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Entladungsraum einen umlaufenden Ringspalt (6) oder einen unterbrochenen Ringspalt bildet, der von einer Abstrahlmantelfläche (8) und von einer Reflektormantelfläche (9), welcher der Reflektor (5) zugeordnet ist, begrenzt ist.

Description

Lampeneinheit
Die Erfindung betrifft eine Lampeneinheit, umfassend mindestens eine Quecksilberniederdrucklampe und mindestens einen Reflektor, wobei die Lampeneinheit eine Lampeneinheit-Längsachse aufweist, entlang der sich ein Füllgas enthaltender Entladungsraum erstreckt.
Stand der Technik
Lampeneinheiten, die mindestens eine Quecksilberniederdrucklampe und mindestens einen Reflektor umfassen, werden in großem Umfang für Beleuchtungszwecke sowie für UV-Anwendungen eingesetzt, wie etwa zur Bräunung, für die UV-Entkeimung oder zur Aktivierung chemischer Reaktionen. Die Anregung des Füllgases erfolgt durch in den Entladungsraum ragende Elektroden oder elektrodenlos durch kapazitive, induktive oder mik- rowellenunterstütze Anregung.
Quecksilberniederdrucklampe zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad von etwa 40% für die Konvertierung elektrischer Energie in UVC-Strahlung aus. Damit ergeben sich typische Leistungen moderner Niederdruckquecksilberlampen um 100 Watt und Leistungsdichten um 1 W/cm.
Eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte bei Beibehält der hohen Effizienz kann theoretisch durch Erhöhung des Betriebsstroms und gleichzeitiger Vergrößerung des Lampendurchmessers erreicht werden. Der Vergrößerung des Lampendurchmessers ist aber durch die sogenannte „Selbstabsorption" eine physikalische Grenze gesetzt.
Die „Selbstabsorption" beruht auf Wechselwirkungen der UVC-Photonen mit den Quecksilberatomen in der Füllgas-Atmosphäre und macht sich sowohl bei zu hohen Quecksil- ber-Konzentrationen als auch bei zu langen Weglängen der UVC-Photonen innerhalb des Entladungsraums in einer Abnahme der Intensität beziehungsweise des Wirkungsgrades der UVC-Emission bemerkbar.
• Eine Erhöhung des Betriebsstroms wird bei so genannten Amalgamlampen angewandt. Der nominale Betriebsstrom einer Quecksilberniederdrucklampe ist in der Regel auf optimale Quecksilber-Konzentration im Entladungsraum und dementsprechend maximale UVC-I ntensität ausgelegt. Ein Überschreiten des nominalen Betriebsstroms bewirkt eine Erhöhung der Temperatur und damit der Quecksilber-Konzentration im Füllgas, was wiederum zu einer höheren Selbstabsorption und damit zu einer Verringerung U VC-I ntensität führt.
Bei Amalgamlampen wird Quecksilber in Form einer Amalgamlegierung in den Entladungsraum eingebracht. Die Bindung des Quecksilbers im Amalgam wirkt dessen Freisetzung in den Entladungsraum entgegen. Dies ermöglicht höhere Betriebsströme (höhere Temperaturen), so dass gegenüber herkömmlichen Quecksilberniederdrucklampen drei- bis sechsfache höhere Leistungen und Leistungsdichten erzielbar sind. Die weitere Erhöhung des Betriebsstroms über den optimalen Wert hinaus führt aber auch bei Amalgamlampen zu höhern Verlusten durch Selbstabsorption.
• Bei einer Vergrößerung des Lampendurchmessers ergibt sich durch den größeren Lampendurchmesser eine bessere Kühlung der Lampe, was theoretisch einen höheren Betriebsstrom unter Beibehaltung einer optimalen Quecksilber-Konzentration im Füllgas ermöglichen würde. Andererseits führt eine Vergrößerung des Lampendurchmessers aber auch zu einer Vergrößerung der Weglänge für die UVC-Photonen, wodurch diese mit höherer Wahrscheinlichkeit absorbiert werden und damit einhergehend die UVC-Leistung durch „Selbstabsorption" abnimmt.
Es gibt daher eine physikalisch bedingte sinnvolle Maximalgröße des Lampendurchmessers, die bei derzeitigen handelsüblichen Quecksilberniederdrucklampen bei etwa 38 mm liegt.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lampeneinheit mit besonders hoher Leistung und Leistungsdichte sowie hoher Effizienz der UVC-Strahlung bereit zu stellen. Ausgehend von einer Lampeneinheit der eingangs genannten Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Entladungsraum einen umlaufenden Ringspalt oder einen unterbrochenen Ringspalt bildet, der von einer Abstrahlmantelfläche und von einer Reflektormantelfläche, welcher der Reflektor zugeordnet ist, begrenzt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lampeneinheit ist der radiale Querschnitt des Entladungsraums (in Richtung der Lampeneinheit-Längsachse gesehen) nicht wie üblich kreisförmig, sondern ringförmig ausgebildet. Beispielsweise als Ring mit rundem, ovalem oder mit polygonalem Querschnitt.
Der Entladungsraum bildet mindestens über den größten Teil seiner Länge entweder einen einheitlichen, durchgängigen Raum in Form eines geschlossenen, umlaufenden Ringspalts, oder er ist aus mehreren Teilräumen zusammengesetzt, die jeweils entlang der Lampeneinheit-Längsachse verlaufen.
• Im erstgenannten Fall umfasst die erfindungsgemäße Lampeneinheit nur eine einzelne Quecksilberniederdrucklampe mit ringförmigem Entladungsraum.
• Im zweitgenannten Fall kann jeder der Entladungsraum-Teilräume jeweils einer Quecksilberniederdrucklampe zugeordnet sein. Die Entladungsraum-Teilräume (beziehungsweise die Quecksilberniederdrucklampen) bestehen beispielsweise aus hohl- zylinderförmigen Elementen. Diese sind um die Lampeneinheit-Längsachse so angeordnet, dass sie den radial unterbrochenen, angenähert ringspaltförmigen Entladungsraum bilden. Dabei kann jedem Teilraum ein eigener Reflektor zugeordnet sein, oder die Teilräume teilen sich einen oder mehrere Reflektoren.
Der Entladungsraum hat insgesamt - zumindest annähernd - die Form eines Hohlzylin- ders. Eine der beiden Zylindermantelflächen des Entladungsraums bildet de Abstrahlmantelfläche, über die die UV-Arbeitsstrahlung emittiert wird. Der anderen Zylindermantelfläche ist der Reflektor zugeordnet. Sie ist beispielsweise als Reflektor ausgebildet oder sie ist von einem reflektierenden Medium begrenzt. Diese Zylindermantelfläche bildet die Reflektormantelfläche im Sinne der Erfindung. Die UVC-Photonen, die in Richtung des Reflektors emittiert werden, werden am Reflektor zurückreflektiert und gehen somit nicht verloren, sondern tragen zum UVC-Fluss bei.
Im Vergleich zu der üblichen Entladungsraum-Geometrie ermöglicht der hohlzylindrische, ringspaltförmige Entladungsraum bei der erfindungsgemäßen Lampeneinheit ein größeres Entladungsraum-Volumen, das bei vorgegebener Weite des Entladungsraums durch dessen Außendurchmesser bestimmt wird. Das größere Volumen ermöglicht das Anlegen eines höheren Betriebsstroms und damit eine höhere Leistung und Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Lampeneinheit (unter Beibehaltung einer optimalen Quecksilber- Konzentration im Füllgas).
Gleichzeitig kann die Weite des ringspaltförmigen Entladungsraums dabei so klein gehalten werden, dass der Effekt der „Selbstabsorption" durch Vergrößerung der Weglänge für die UVC-Photonen möglichst vermieden wird. Für jedes Parameterpaar „Außendurchmesser des Entladungsraums/Spaltweite des Entladungsraums" ergibt sich ein Optimum für den Betriebsstrom, das anhand weniger Versuche ermittelt werden kann.
Hinzu kommt, dass der vergleichsweise größere Außendurchmesser des Entladungsraums und die zusätzliche Innenwandung zu einer merklichen Vergrößerung der freien Lampenoberfläche führen, so dass sich eine effektivere Kühlung der Lampeneinheit ergibt. Eine effektivere Kühlung wirkt einer Temperaturerhöhung im Betrieb entgegen und ermöglicht somit ebenfalls einen höheren Betriebsstrom, ohne die optimale Quecksilber- Konzentration im Füllgas zu überschreiten.
Die den Ringspalt nach innen und nach außen begrenzenden Wandungen (Abstrahlmantelfläche und Reflektormantelfläche) können die gleiche Querschnittsgeometrie aufweisen oder sie können sich in ihren Querschnittsgeometrien unterscheiden. Im einfachsten Fall sind die Querschnittsgeometrien gleich und die Wandungen verlaufen koaxial zueinander, so dass der Ringspalt überall die gleiche Spaltweite hat.
Der an den Entladungsraum angrenzende Reflektor ist entweder als separates Bauteil oder als Beschichtung im Bereich der Reflektormantelfläche ausgebildet.
Der Reflektor kann außen am Entladungsraum vorgesehen sein, wodurch die Innenwandung als Abstrahlmantelfläche dient und die Lampeneinheit als ein zylindrischer, nach innen abstrahlender „Innenstrahler" wirkt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ringspalt eine als Reflektormantelfläche ausgebildete Innenwandung aufweist.
Der Entladungsraum hat dabei eine nach außen weisende, geschlossene oder unterbrochene Abstrahlmantelfläche, über die die UV-Arbeitsstrahlung nach außen tritt. Gegenüberliegend ist eine nach innen weisende, geschlossene oder unterbrochene Reflektor- mantelfläche vorgesehen, die an einen Reflektor angrenzt. Der Reflektor ist entweder als separates Bauteil oder als Beschichtung im Bereich der Reflektormantelfläche ausgebildet.
Vorzugsweise weist der ringspaltförmige Entladungsraum eine Spaltweite von maximal 40 mm, vorzugsweise maximal 35 mm auf.
Je größer - bei gegebenem Innendurchmesser - die Spaltweite des Entladungsraums ist, umso größer ist Entladungsraum-Volumen und damit der optimale Betriebsstrom und der erzielbare UVC-Fluss. Bei Spaltweiten von mehr als 40 mm kommt es jedoch wegen „Selbstabsorption" zu einer merklichen Abnahme der UVC-Leistung.
Im Sinne eines möglichst hohen Entladungsraum-Volumens und eines möglichst hohen optimalen Betriebsstroms und damit eines hohen UVC-Flusses hat es sich als günstig erwiesen, wenn der ringspaltförmige Entladungsraum eine mittlere Spaltweite von mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 15 mm aufweist.
Die erfindungsgemäße Lampeneinheit mit ringspaltförmigem Entladungsraum und angrenzendem Reflektor zeigt aus den oben erläuterten Gründen bereits bei geringem Innendurchmesser des Ringspalts einen positiven Effekt auf Leistung und Effizienz der UVC- Strahlung. Andererseits erfordert die Herstellung der erfindungsgemäßen Lampeneinheit gegenüber herkömmlichen Lampen einen gewissen konstruktiven Mehraufwand, was wirtschaftlich nur durch eine nennenswerte Steigerung der UVC-Leistung zu rechtfertigen ist. Bei gegebener Ringspaltweite (die durch Selbstabsorption infolge zunehmender Weglänge der UVC-Photonen limitiert ist) führt ein großer Innendurchmesser von mehr als 10 mm zu einer merklichen Vergrößerung des Entladungsvolumens ohne Erhöhung der Selbstabsorption. Daher sind möglichst große Innendurchmesser der Quecksilberniederdrucklampe bevorzugt.
In dem Zusammenhang ergeben sich bevorzugte Außendurchmesser der Quecksilberniederdrucklampe von mehr als 20 mm, vorzugsweise mehr als 35 mm.
Insbesondere bei elektrodenloser Anregung des Füllgases (durch Mikrowelle, oder durch kapazitive oder induktive Anregung) ist ein Reflektor aus einem dielektrischen Werkstoff vorteilhaft. Daher wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberniederdrucklampe ein Reflektor bevorzugt, der aus einem dielektrischen Werkstoff besteht. In dem Zusammenhang hat sich ein Reflektor besonders bewährt, der als Reflexionsschicht aus opakem Quarzglas ausgebildet ist.
Die Reflexionseigenschaften beruhen hierbei auf „diffuser Reflexion". Es hat sich gezeigt, dass mit Reflexionsschichten aus opakem Quarzglas in bestimmten Wellenlängenbereichen Reflexionsgrade erreichbar sind, die mit denen metallischer Reflektoren vergleichbar sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberniederdrucklampe ist vorgesehen, dass der Entladungsraum als umlaufender Ringspalt zwischen einem Außenrohr und einem Innenrohr ausgebildet ist.
Das Innenrohr ist innerhalb des Außenrohres koaxial oder exzentrisch angeordnet. Die Querschnittsgeometrien von Innenrohr und Außenrohr sind gleich oder verschieden und können zum Beispiel rund, oval oder polygonal sein. Der Entladungsraum ist als umlaufender, geschlossener Ringspalt zwischen Rohren besonders einfach realisierbar.
In dem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn eine Einrichtung für eine elektrodenlose Anregung des Füllgases vorgesehen ist.
Eine koaxiale oder exzentrische Anordnung von Innenrohr und Außenrohr erfordert entweder eine besondere Anpassung der Elektrodenform an die Innengeometrie des Entladungsraums oder eine besondere Gestaltung des Entladungsraums im Bereich der Elektroden, beispielsweise einen kreisförmigen Längenabschnitt des Entladungsraums. Dieser Aufwand entfällt bei einer elektrodenlosen Anregung des Füllgases.
Der entweder an das Innenrohr oder an das Außenrohr angrenzende Reflektor ist vorzugsweise auf der dem Entladungsraum abgewandten Rohrseite vorgesehen.
In dem Fall ist das dem Entladungsraum abgewandte Reflektormaterial der Entladung im Entladungsraum nicht ausgesetzt und es gibt keine Verunreinigungen an das Füllgas ab.
Bei einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit ist vorgesehen, dass der Entladungsraum als radial unterbrochener Ringspalt aus einer Vielzahl Quecksilberniederdruck-Lampenmodulen zusammengesetzt ist, die um die Lampeneinheit-Längsachse so angeordnet sind, das ihre Zylinder-Längsachse jeweils parallel zur Lampeneinheit-Längsachse verläuft. Der Ringspalt ist unterbrochen und seine Ringform wird durch die ringförmige Anordnung der Entladungsräume der einzelnen Lampenmodule angenähert. Hierzu sind die Lampenmodule auf einer Umhüllenden um die Lampeneinheit-Längsachse angeordnet.
Die Lampenmodule sind im einfachsten Fall baugleich als Quecksilberniederdrucklampen mit herkömmlichem, zylinderförmigem Entladungsraum ausgebildet, beispielsweise mit einem im Querschnitt kreisförmigen oder polygonalen Entladungsraum. Die ringförmige Anordnung der Lampenmodule bildet im Querschnitt (in Richtung der Lampen- Längsachse gesehen) näherungsweise einen Kreisring, ein Oval oder ein Polygonal. Insoweit gilt das oben zum geschlossenen ringspaltförmigen Entladungsraum Gesagte entsprechend. Die einzelnen Lampenmodule können in einem Gestell gelagert werden oder sie sind miteinander verbunden, zum Beispiel durch Kleben oder Schweißen, und so in der Ringform fixiert.
Derjenige Flächenbereich der jeweiligen Lampenmodul-Wandung, der der Lampen- Längsachse zugewandt ist, wirkt dabei entweder als Reflektormantelfläche oder als Abstrahlmantelfläche. Der als Reflektormantelfläche wirkende Flächenbereich ist mit einer Reflexionsschicht versehen oder er grenzt an einen Reflektor an. Der jeweils gegenüberliegende Flächenbereich der Lampenmodul-Wandung wirkt als Abstrahlfläche.
Bevorzugt ist bei dieser Ausführungsform ein als separates Bauteil ausgebildeter Reflektor vorgesehen, indem die Lampenmodule einen zylinderförmigen Innenraum umschließen, in den ein zylinderförmiges Reflektorbauteil, beispielsweise in Form eines Stabes oder Rohres eingesetzt ist.
Die erfindungsgemäße Lampeneinheit dient insbesondere zur Bereitstellung besonders hoher UVC-Leistungen und -Leistungsdichten. Dazu trägt eine bevorzugte Ausführungsform der Lampeneinheit bei, bei der die mindestens eine Quecksilberniederdrucklampe als Amalgamlampe ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Lampeneinheit zeichnet sich durch hohe Leistungsdichten von vorzugsweise mindestens 5 W/cm, besonders bevorzugt vom mindestens 10 W/cm, aus.
Die Einheit W/cm bezieht sich auf die Länge der Lampeneinheit in Richtung ihrer Längsachse gesehen.
Ausführunqsbeispiel Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
Figur 1 einen radialen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberniederdrucklampe mit umlaufendem Entladungsraum,
Figur 2 einen radialen Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberniederdrucklampe mit unterbrochenem Entladungsraum,
Figur 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberniederdrucklampe mit unterbrochenem Entladungsraum in einem radialen Querschnitt, und
Figur 4 einen radialen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberniederdrucklampe mit umlaufendem Entladungsraum. .
Die Lampeneinheit 1 gemäß Figur 1 umfasst eine Amalgamlampe 10 und einen Reflektor 5. Die Amalgamlampe 10 weist ein Außenrohr 8 auf, in dem koaxial zur Lampeneinheit- Längsachse 7 ein Innenrohr 9 angeordnet ist. Außenrohr 8 und Innenrohr 9 sind an den stirnseitigen Enden miteinander verschmolzen, so dass zwischen Außenrohr 8 und Innenrohr 9 ein vakuumdichter, im dargestellten Querschnitt kreisringförmiger, umlaufender Ringspalt erzeugt wird, der den Entladungsraum 6 der Amalgamlampe 10 bildet. An den Entladungsraum 6 ist in üblicher Weise ein (nicht dargestelltes) Appendix angeschweißt, das Quecksilberatome in einer Amalgamlegierung enthält. Das Füllgas wird durch Mikrowellen oder induktiv mit Hochfrequenz angeregt. Die Längsachse 7 der Lampeneinheit 1 verläuft senkrecht zur Blattebene.
Das Innenrohr 9 besteht aus Quarzglas und ist auf seiner dem Entladungsraum 6 abgewandten Innenseite mit einer Reflektorschicht 5 versehen. Die Reflektorschicht 5 ist in Form einer 0,5 mm dicken Schicht aus opakem, synthetischem Quarzglas an der Innenwandung des Innenrohres 9 ausgeführt. Aus Gründen einer deutlicheren Darstellung ist die Dicke der Reflektorschicht 5 in Fig. 1 übertrieben groß eingezeichnet.
Das Innenrohr 9 hat einen Außendurchmesser von 28 mm (Wandstärke: 1 ,5 mm). Das Außenrohr 8 besteht ebenfalls aus Quarzglas und hat einen Innendurchmesser von 51 mm (Wandstärke: 2 mm). Der Entladungsraum 6 weist somit eine radial gleichmäßige Spaltweite von etwa 11 ,5 mm auf. Der Zylinderaußenmantel des Außenrohres 8 bildet eine nach außen weisende, geschlossene Abstrahlmantelfläche, über die die UV-Arbeitsstrahlung nach außen tritt, und das Innenrohr 9 bildet die Reflektormantelfläche im Sinne der Erfindung.
Im Vergleich zu einer üblichen Quecksilberniederdrucklampe mit einem zylinderförmigen Entladungsraum gleichen Innendurchmessers (11 ,5 mm) ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Lampeneinheit 1 ein größeres Volumen des Entladungsraums 6 und auch eine größere freie Oberfläche des Entladungsraums 6.
Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Quecksilberniederdrucklampen bei gleicher Weite des Entladungsraums der unter Berücksichtigung der „Selbstabsorption" optimierte Betriebsstrom und damit die Anzahl der UVC-Photonen emittierenden Atome erhöht werden. Dies führt zu besonders hoher Leistung, Leistungsdichte und Effizienz der UVC- Strahlung. Dazu trägt bei, dass die UVC-Photonen, die in Richtung der Reflektorschicht 5 emittiert werden, zurückreflektiert werden und somit nicht vollständig verloren gehen.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit 2 ist der Entladungsraum 26 als unterbrochener Ringspalt ausgebildet. Der Entladungsraum 26 ist dabei von einer Vielzahl (im Ausführungsbeispiel: zwölf) zylinderförmiger Lampenmodule 20 zusammengesetzt, die stirnseitig in einem Gestell so fixiert sind, dass ihre Zylinder-Längsachsen jeweils parallel zur Lampen-Längsachse 27 verlaufen. Die Lampenmodule 20 bilden insgesamt eine radial unterbrochene, kreisringförmige Anordnung um die Lampeneinheit-Längsachse 27.
Bei den Lampenmodulen 20 handelt es sich um baugleiche Quecksilberniederdrucklampen (Amalgamlampen) mit herkömmlichem, zylinderförmigem Entladungsraum mit einer typischen Länge bis zu 2 m und einem typischen Außendurchmesser im Bereich von 15 mm bis 8 mm, im Ausführungsbeispiel einem Außendurchmesser von 22 mm.
Die Anordnung der Lampenmodule 20 bildet im Querschnitt (in Richtung der Lampeneinheit-Längsachse 27 gesehen) einen radial unterbrochenen Kreisring mit lichten Weite von etwa 20 mm, wobei die nach außen weisenden, mit der Bezugsziffer 23 angedeuteten Flächenbereiche der jeweiligen Lampenmodule 20 als Abstrahlfläche wirken, und die gegenüberliegenden Flächenbereiche 24 als Reflektorfläche.
Der Reflektor wird dabei von einem Aluminiumzylinder gebildet, an dem die Lampenmodule 20 anliegen. Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lampeneinheit 3 mit unterbrochenem Entladungsraum 36. Der unterbrochene Entladungsraum 36 wird dabei von vier im Rechteck angeordneten Flächenstrahlern 30 zusammengesetzt. Die Flächenstrahler 30 sind miteinander verbunden, im Ausführungsbeispiel durch Verkleben. Die Zylinderlängsachsen der Lampenmodule 30 verlaufen jeweils parallel zur Lampeneinheit-Längsachse 37.
Bei den Flächenstrahlern 30 handelt es sich um baugleiche Quecksilberniederdrucklampen (Amalgamlampen) mit jeweils rechteckigem Entladungsraum mit den Abmessungen 12 mm x 28 mm (Höhe x Breite) und mit einer typischen Länge von 1 m bis 2 m, im Ausführungsbeispiel 1 ,5 m. Die nach außen weisenden Flächenbereiche 33 wirken als Abstrahlfläche und die gegenüberliegenden Flächenbereiche 34 als Reflektorfläche. Der Reflektor wird dabei von einem Aluminium-Hohlprofil 35 mit einer Kantenlänge von etwa 30 mm gebildet, an dem die Lampenmodule 30 anliegen.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lampeneinheit 4 gemäß der Erfindung, die im Wesentlichen aus einer Amalgamlampe 40 mit umlaufendem, ringspaltförmigem Entladungsraum 46 und einem Reflektor 45 gebildet wird. Der Entladungsraum 46 ist als Ringspalt zwischen einem Außenrohr 8 und einem darin koaxial zur Lampeneinheit- Längsachse 47 eingesetzten Innenrohr 9 ausgebildet.
Die Lampeneinheit 4 unterscheidet sich von der anhand Fig. 1 erläuterten Ausführungsform nur darin, dass der Reflektor 45 auf der dem Entladungsraum 46 abgewandten Zylindermantelfläche des Außenrohres 8 vorgesehen ist. Der Reflektor 45 ist in Form einer 0,5 mm dicken Schicht aus opakem, synthetischem Quarzglas ausgeführt (die Dicke der Reflektorschicht 45 ist übertrieben groß eingezeichnet).
Der Zylinderaußenmantel des Außenrohres 48 bildet daher die Reflektormantelfläche im Sinne der Erfindung und das Innenrohr 9 bildet eine nach innen weisende, geschlossene Abstrahlmantelfläche, über die die UV-Arbeitsstrahlung nach innen austritt.

Claims

Patentansprüche
1. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4), umfassend mindestens eine Quecksilberniederdrucklampe (10; 20; 30; 40) und mindestens einen Reflektor (5; 25; 35; 45), wobei die Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) eine Lampeneinheit-Längsachse (7; 27; 37; 47) aufweist, entlang der sich ein Füllgas enthaltender Entladungsraum (6; 26; 36; 46) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (6; 26; 36; 46) einen umlaufenden Ringspalt oder einen unterbrochenen Ringspalt bildet, der von einer Abstrahlmantelfläche und von einer Reflektormantelfläche, welcher der Reflektor (5; 25; 35; 45) zugeordnet ist, begrenzt ist.
2. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt eine als Reflektormantelfläche ausgebildete Innenwandung aufweist.
3. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringspaltförmige Entladungsraum (6; 26; 36; 46) eine Spaltweite von maximal 40 mm, vorzugsweise maximal 35 mm, aufweist.
4. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ringspaltförmige Entladungsraum (6; 26; 36; 46) eine mittlere Spaltweite von mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 15 mm, aufweist.
5. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt eine Innenwandung aufweist, die auf einer Umhüllenden um die Lampeneinheit-Längsachse (7; 27; 37; 47) mit einem Innendurchmesser von mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm, verläuft.
6. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5; 45) aus einem dielektrischen Werkstoff besteht
7. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5; 45) als Reflexionsschicht aus opakem Quarzglas ausgebildet ist.
8. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (6; 46) als umlaufender Ringspalt zwischen einem Außenrohr (8) und einem Innenrohr (9) ausgebildet ist.
9. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5; 25; 35; 45) auf der dem Entladungsraum (6; 46) abgewandten Rohrseite vorgesehen ist.
10. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (26; 36) als radial unterbrochener Ringspalt aus einer Vielzahl zylinderförmiger Quecksilberniederdruck-Lampenmodulen (20; 30) zusammengesetzt ist, die um die Lampeneinheit-Längsachse (27; 37) so angeordnet sind, das ihre Zylinder-Längsachse jeweils parallel zur Lampeneinheit- Längsachse (27; 37) verläuft.
11. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenmodule (20; 30) einen zylinderförmigen Innenraum umschließen, in den ein zylinderförmiges Reflektorbauteil (25; 35) eingesetzt ist.
12. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quecksilberniederdrucklampe (10; 20; 30; 40) als Amalgamlampe ausgebildet ist.
13. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung für eine elektrodenlose Anregung des Füllgases vorgesehen ist.
14. Lampeneinheit (1 ; 2; 3 4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Leistungsdichte von mindestens 5 W/cm, vorzugsweise eine Leistungsdichte von mindestens 10 W/cm, aufweist.
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