WO2003056605A2 - Gekühlte hochdruckgasentladungslampe - Google Patents

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WO2003056605A2
WO2003056605A2 PCT/IB2002/005507 IB0205507W WO03056605A2 WO 2003056605 A2 WO2003056605 A2 WO 2003056605A2 IB 0205507 W IB0205507 W IB 0205507W WO 03056605 A2 WO03056605 A2 WO 03056605A2
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WO
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lamp
pressure gas
gas discharge
discharge space
bulb
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Holger Moench
Jan A. J. Stoffels
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Philips Intellectual Property & Standards Gmbh
Koninklijke Philips Electronics N.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84—Lamps with discharge constricted by high pressure
    • H01J61/86—Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/52—Cooling arrangements; Heating arrangements; Means for circulating gas or vapour within the discharge space

Definitions

  • the invention relates to a cooled high-pressure gas discharge lamp which comprises at least one cooled lamp bulb which hermetically closes a discharge space filled with a gas, an inhomogeneous temperature distribution at least in the discharge space at the time of the gas discharge, and a cooling device with a coolant which generates a directed coolant flow ,
  • High-pressure gas discharge lamps (HID (high intensity discharge) lamps) and especially UHP (ultra high performance) lamps are used due to their optical properties, among others. preferably used for projection purposes.
  • a light source that is as punctiform as possible is required so that the arc that forms between the electrode tips should not exceed a length of approximately 0.5 to 2.5 mm.
  • the highest possible light intensity with the most natural possible spectral composition of the light is desired.
  • the highest temperature on the inner surface of the discharge space must not become so high that devitrification of the lamp bulb, which is generally made of quartz glass, occurs. This can be problematic because the strong convection within the discharge space of the lamp heats the area above the arc particularly strongly.
  • the coldest point on the inner surface of the discharge space must still be at such a high temperature that the mercury does not precipitate there, but rather remains sufficiently vaporized overall. This is particularly important for lamps with a saturated gas filling.
  • Air-cooled lamps are known in general from lighting technology.
  • the teaching conveyed expressly refers to the assumption of the professional world that such short-arc high-performance lamps must have artificial air cooling.
  • One object on which the invention is based is therefore to create a high-pressure gas discharge lamp of the type mentioned at the outset, and in particular a UHP lamp or lighting unit suitable for projection purposes, the spectral properties of which are at least retained in an expanded power range.
  • the object of the invention is achieved in that a liquid coolant acts on the lamp bulb, the lamp can be operated with an increased output and the coolant flow is such that, with the increased power consumption of the lamp, devitrification of the lamp bulb and condensation of the gas are substantially prevented becomes.
  • a major advantage of this solution is that not only are the spectral properties of the light retained at a high level, but that the lamp operates at a higher operating voltage, so that a correspondingly higher lamp output is achieved with the same lamp current. On the other hand, only a lower current is required for the same lamp power.
  • the electrodes have the electron spacings of about 0.5 to 2.5 mm are usually subject to particularly high wear, now have a significantly longer service life.
  • liquid coolant for example water or a mixture which contains water
  • a premise for the selection of the liquid coolant is not to cause any significant changes in the spectral properties of the light.
  • the nature of the coolant flow for example the manner of contact with defined areas of the lamp bulb, has a significant influence on the desired heat conduction from the lamp bulb. According to the invention, the focus is in particular on the areas of
  • Lamp bulbs that have the highest temperatures during lamp operation must be taken into account, since this has a significant influence on the temperature distribution within the temperature field in the discharge space and thus in the lamp bulb.
  • a further criterion for the dimensioning and design of the cooling system according to the invention is the degree of homogenization of the temperature distribution in the discharge space.
  • An advantage of the solution according to the invention is that the lamp and the cooling device can be operated in a coordinated manner. This applies in particular to the set output power of the lamp, which can be increased by a factor of between approximately 2 and 10 compared to the nominal power of the lamp without cooling, without any devitrification of the lamp bulb being observed. Furthermore, the coordinated operation, for example by using a control circuit, ensures that when the lamp voltage drops, the cooling is reduced in such a way that a condensation of mercury is prevented.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention relates to a high-pressure gas discharge lamp which is designed as a short-arc lamp and is used for projection purposes.
  • the power consumption of the lamp can or must be variably adjustable
  • the operation of the cooling device is preferred, the coolant being moved in a conventional closed circuit.
  • Cooling is most effective when the coolant flow is directed directly at least to a region of the lamp bulb that lies above the discharge space and thus regularly has the highest temperature.
  • the coolant flow is directed to an increased extent or exclusively to the area which lies above the electrode tips of an electrode arrangement lying opposite one another.
  • a coolant flow directed to this area to an increased extent can be realized, for example, by means of a so-called outer bulb, with larger volume flows occurring in the upper area of the outer bulb than in the lower area due to the coolant flow.
  • the coolant flow is directed to an increased extent or exclusively to the area that lies above the upper electrode tip of an electrode arrangement.
  • the coolant flow can preferably be conducted in the area of the upper electrode bushing. This guidance of the coolant flow is particularly expedient because very little light is emitted in this area of the lamp bulb.
  • the liquid cooling thus has only a minor influence on the relevant light parameters.
  • Such means known per se in heat and insulation technology are, for example, on the outer one
  • Insulation layers applied to the surface of the lamp bulb As a result, the heat transfer coefficient can generally be influenced even more effectively. Outside of the essential light cone of the lamp, especially in the vicinity of the electrode bushings, non-transparent layers can also be used. This means that the heat transfer coefficient can be influenced much more effectively.
  • means are preferably arranged which reduce the heat transfer coefficient of the area of the lamp bulb located below, such as, for example, transparent layers applied to the glass body.
  • the wall thickness of the area located above the discharge space increases towards the area below.
  • the effectiveness of the cooling is further improved, so that the lamp output can be increased further and the other lamp properties, such as the spectrum of the emitted light or operating voltage, are at least retained.
  • Another aspect of the invention aims at a largely homogenization of the temperature distribution in the discharge space itself, so that a lamp bulb which is fundamentally unchanged from the prior art can be used.
  • Temperature distribution in the discharge space takes place by rotating the lamp around the imaginary horizontal axis between the opposite electrode tips.
  • the temperature distribution in the discharge space can be homogenized by operating the lamp in the region of so-called acoustic resonances.
  • the acoustic resonances are used in a known manner, for example as described in US 5880561 and US 6225724, in order to prevent an upward curvature of the arc and thus to reduce the temperature difference in the lamp bulb.
  • the object of the invention is also achieved by a lighting unit with at least one high-pressure gas discharge lamp according to one of claims 1 to 9.
  • Such a lighting unit can be used in particular for projection purposes in which powers of more than 400 to 7000 W are required.
  • high-pressure gas discharge lamps are not suitable without cooling and only to a limited extent with air cooling.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of the high-pressure gas discharge lamp (UHP lamp)
  • FIG 3 shows a temperature distribution in the area of the combustion chamber of the electrodes with cooling according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through an UHP lamp according to the invention in a horizontal installation position of the lamp.
  • the UHP lamp has a reflector housing 1, the opening of which is preferably closed by a front pane 2.
  • the front screen 2 forms a light exit surface and serves to protect the surroundings in the event of the lamp being destroyed. It can also be designed as a filter disk for the light generated.
  • An electrode arrangement 4 extends into the end of the reflector housing 1 opposite the opening.
  • the electrode arrangement 4 essentially comprises a first electrode 41 and a second electrode 42 which are located in a lamp bulb 43 and between whose opposite tips an arc discharge is excited in a discharge space 431 of the lamp bulb 43.
  • the respective other ends of the electrodes 41, 42 are connected to electrical connections 5, 6 of the lamp, via which the supply voltage required for operating the lamp is supplied by a power supply unit 8.
  • a cylindrical outer bulb 3 also extends into the reflector housing 1.
  • the outer bulb 3 has an inlet 31 and an outlet 32 via which the liquid circulation of the coolant takes place in a closed cooling circuit.
  • the cooling device 7 comprises all the components required for a conventional coolant circuit, such as at least one liquid container, a pump, inlet and outlet members, possibly a cooling unit, temperature measuring devices and corresponding connecting lines.
  • the aforementioned electrical or electronic components of the cooling device 7 regularly have at least one power supply and control, and are often networked via data systems.
  • the inlet 31 is connected to a circulating pump, so that this causes the liquid to flow between the inlet 31 and the outlet 32. With a defined volume throughput through the outer bulb 3, a water inlet temperature adapted to the respective operating conditions of the lamp is supplied via the inlet 31.
  • the coolant flow is directed in particular through the arrangement of the inlet 31 and the geometric conditions of the outer bulb 3 onto the area of the lamp bulb 43 to be cooled.
  • the outlet 32 is arranged in the vicinity of the electrical connection 6, in particular in order to lie outside the light cone of the lamp.
  • the lamp according to the invention is operated with the power supply unit 8 for a general mains voltage. It comprises a first control circuit for supplying the lamp and a second control circuit for operating a source generating the coolant flow 9. Furthermore, a monitoring and control device is provided with which the lamp voltage applied to the lamp is measured. Alternatively, the second control circuit can be combined with the source to form a separate cooling unit, in which case the monitoring and control device preferably has an output connection which is provided for connection to the cooling unit and to which, for example, a digital information signal about the level of the Lamp voltage and power is applied.
  • FIG. 2 shows the mutually opposite regions of the electrodes 41, 42 and their tips 411, 421, which extend into the discharge space 431 of the lamp bulb 43 and between which an arc 432 is formed when the lamp is in the operating state.
  • the discharge space 431 and the surrounding ones are mutually opposite regions of the electrodes 41, 42 and their tips 411, 421, which extend into the discharge space 431 of the lamp bulb 43 and between which an arc 432 is formed when the lamp is in the operating state.
  • the highest temperature Tl at the lamp bulb 43 occurs at the upper inside of the discharge space 431 in the horizontal operating position of the lamp, while the temperature T2 at the opposite lower inside of the discharge space 431 is lower than Tl. Due to the temperature gradient through the wall of the lamp bulb 43, which generally consists of quartz glass, the temperature T3 on the upper outside of the lamp bulb 43 is lower than the temperature Tl on the inside there, but at the same time the highest temperature on the outside of the lamp bulb 43 Finally, the temperature T4 is on the lower outside of the lamp bulb 43 lower than the temperature T2 on the lower inside.
  • Tl to T4 This results in the following relationships among others: T2 ⁇ Tl, Tl> T3 and T2> T4.
  • the highest temperature Tl on the upper inside of the lamp bulb 43 must not be so high that there is a risk of devitrification of the quartz glass.
  • the lowest temperature T2 on the lower inside of the lamp bulb 43 must be so high that the mercury does not precipitate there, but remains in the form of steam.
  • the difference Tl - T2 between these two temperatures is that it is determined by convection and heat transfer in the hot plasma. This means that the difference is proportional to the gas pressure in the discharge space 43 and thus represents a critical variable, particularly in the case of UHP lamps.
  • the highest temperature T3 on the outside of the lamp bulb 43 is reduced to a temperature T13 by the cooling and at the same time shifted in the flow direction on the outside. Accordingly, the highest temperature T1 on the inside of the lamp bulb 43 is also reduced to a temperature TU and shifted in the direction of flow.
  • the lowest temperature T14 on the outside of the lamp bulb 43 is where the coolant flow 9 meets the lamp bulb 43. Inside the discharge space 431 is shifted on the lower side against the flow direction to find the temperature T12 or, in the case of particularly strong flow, displaced on the upper side against the flow direction, the temperature T122 as the lowest temperature.
  • the temperature T2 of the coldest points in the discharge space 431 does not drop despite the additional cooling. There is therefore no condensation of mercury for a large parameter range. What is essential here is the simultaneous setting of the coolant flow and lamp power, the coolant flow generally being controlled as a function of the lamp power. If the lamp were to be cooled alone (even if it is aimed specifically at the upper side) without increasing the power, the mercury would be particularly useful for those used here
  • the source generating the coolant flow 9 can be a simple, infinitely variable circulation pump which is dimensioned such that the required volume throughput and thus the required flow velocity is achieved with known geometries of the flow channel. Another advantage of this cooling is that in the case where the
  • Cooling is maintained for about 10 to 30 seconds after the lamp has been switched off, for example, the gas (mercury) condenses relatively quickly and thus the internal gas pressure decreases. The condensation does not take place on the electrodes, but on the Inner wall of the lamp bulb 431. As a result, re-ignition with a relatively low ignition voltage is possible just a few seconds after the lamp has been switched off.
  • Coolant flow 9 required.
  • the start of the condensation at the coldest point in the discharge space 431 which does not necessarily have to be on the lower side thereof, can be detected by monitoring a drop in the lamp voltage.
  • the second control circuit it is possible, by evaluating and feeding back the lamp voltage detected by the monitoring and control device to the second control circuit, to regulate the coolant flow 9 in such a way that it is as strong as possible, but not so strong that for one with the first control circuit set lamp light output occurs a condensation impairing the lamp properties.
  • the light output of the lamp can be maximized by optimized cooling, with a stable operating state being established by the feedback.
  • Another advantage of the combination of the lamp according to the invention with the power supply unit 8 of the type mentioned above results when the lamp is operated with different light outputs. Particularly in the case in which the lamp is dimmed, the optimum operating states (gas pressure) in the discharge space 431 can be maintained by a corresponding reduction in the cooling as described above. The consequence of this is that, even with reduced light output, the properties of the lamp are not impaired, in particular with regard to the color spectrum of the emitted light.

Landscapes

  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)
  • Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Hochdruckgasentladungslampe, zumindest umfassend einen gekühlten Lampenkolben (43), der einen mit einem Gas gefüllten Entladungsraum (431) hermetisch verschließt, wobei zum Zeitpunkt der Gasentladung zumindest im Entladungsraum (431) eine inhomogene Temperaturverteilung besteht, und eine Kühleinrichtung (7) mit einem Kühlmittel, die einen gerichteten Kühlmittelstrom (9) erzeugt, wobei ein flüssiges Kühlmittel auf den Lampenkolben (43) einwirkt, die Lampe mit einer erhöhten Leistung betreibbar und der Kühlmittelstrom (9) derart beschaffen ist, dass bei der erhöhten Leistungsaufnahme der Lampe eine Entglasung des Lampenkolbens (43) und eine Kondensation des Gases im wesentlichen verhindert wird.

Description

Gekühlte Hochdruckgasentladungslampe
Die Erfindung betrifft eine gekühlte Hochdruckgasentladungslampe, die zumindest einen gekühlten Lampenkolben, der einen mit einem Gas gefüllten Entladungsraum hermetisch verschließt, wobei zum Zeitpunkt der Gasentladung zumindest im Entladungsraum eine inhomogene Temperaturverteilung besteht, und eine Kühleinrichtung mit einem Kühlmittel, die einen gerichteten Kühlmittelstroms erzeugt, umfasst.
Hochdruckgasentladungslampen (HID- [high intensity discharge]-Lampen) und insbesondere UHP- (ultra high Performance) Lampen werden auf Grund ihrer optischen Eigenschaften u.a. bevorzugt zu Projektionszwecken eingesetzt. Für diese Anwendungen wird eine möglichst punktförmige Lichtquelle gefordert, so dass der sich zwischen den Elektrodenspitzen ausbildende Lichtbogen eine Länge von etwa 0,5 bis 2,5 mm nicht überschreiten soll. Weiterhin ist eine möglichst hohe Lichtstärke bei möglichst natürlicher spektraler Zusammensetzung des Lichtes erwünscht.
Diese Eigenschaften können mit UHP-Lampen derzeit am besten erreicht werden. Bei der Entwicklung dieser Lampen müssen jedoch zwei wesentliche Forderungen gleichzeitig erfüllt werden:
Einerseits darf die höchste Temperatur an der inneren Oberfläche des Entladungsraums nicht so hoch werden, dass eine Entglasung des im allgemeinen aus Quarzglas gefertigten Lampenkolbens auftritt. Dies kann deshalb problematisch sein, weil durch die starke Konvektion innerhalb des Entladungsraums der Lampe der Bereich oberhalb des Lichtbogens besonders stark erwärmt wird.
Andererseits muss die kälteste Stelle an der inneren Oberfläche des Entladungsraums (Brennraum) noch eine so hohe Temperatur aufweisen, dass sich das Quecksilber dort nicht niederschlägt, sondern insgesamt in ausreichendem Maße in verdampftem Zustand erhalten bleibt. Dies ist in besonderem Maße bei Lampen mit gesättigter Gasfüllung zu beachten.
Diese beiden widerstrebenden Forderungen führen dazu, dass die maximal zulässige Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur (im allgemeinen an der oberen und unteren Innenseite des Entladungsraums) relativ gering ist. Da jedoch durch die innere Konvektion hauptsächlich der Bereich oberhalb des Entladungsraums erwärmt wird und dessen Wärmeleitfähigkeit durch entsprechende Gestaltung des Lampenkolbens nur in engen Grenzen erhöht werden kann, ist die Einhaltung der maximalen Differenz relativ schwierig, und einer Leistungssteigerung der Lampe sind enge Grenzen gesetzt. Durch eine Luftkühlung ist eine diesbezügliche Leistungssteigerung grundsätzlich möglich, wobei dort aufgrund der physikalisch Eigenschaften der Luft nur bestimmte Wärmemengen vom Lampenkolben abgeführt werden können.
Aus der Lichttechnik im allgemeinen sind luftgekühlte Lampen bekannt. In der DE 190 31 17 ist beispielsweise eine luftgekühlte Kurzbogenlampen als Flutlichtleuchte beschrieben. Diese Flutlichtleuchte mit einem Spiegel für eine im Brennpunkt des Spiegels wirksame Lampe, mit einer etwa punktförmigen Lichtquelle hoher Leistung und großer Leuchtdichte wird unter Verwendung von Düsen zum Anblasen des Lampenkolbens gekühlt. Die vermittelte Lehre verweist ausdrücklich auf die Annahme der Fachwelt, dass solche Kurzbogen-Hochleisrungslampen eine künstliche Luftkühlung haben müssen.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, eine Hochdruckgasentladungslampe der eingangs genannten Art und insbesondere eine für Projektionszwecke geeignete UHP-Lampe bzw. Beleuchtungseinheit zu schaffen, deren spektrale Eigenschaften in einem erweiterten Leistungsbereich zumindest erhalten bleiben.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein flüssiges Kühlmittel auf den Lampenkolben einwirkt, die Lampe mit einer erhöhten Leistung betreibbar und der Kühlmittelstrom derart beschaffen ist, dass bei der erhöhten Leistungsaufnahme der Lampe eine Entglasung des Lampenkolbens und eine Kondensation des Gases im wesentlichen verhindert wird.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass nicht nur die spektralen Eigenschaften des Lichtes auf hohem Niveau erhalten bleiben, sondern dass die Lampe bei einer höheren Betriebsspannung arbeitet, so dass bei gleichem Lampenstrom eine entsprechend höhere Lampenleistung erzielt wird. Andererseits wird bei gleicher Lampenleistung ein nur geringerer Strom benötigt. Dies hat zur Folge, dass die Elektroden, die bei den für Projektionsanwendungen interessanten Elektronenabständen von etwa 0,5 bis 2,5 mm normalerweise einem besonders hohen Verschleiß unterliegen, nunmehr eine wesentlich längere Lebensdauer aufweisen.
Durch die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels, beispielsweise Wasser oder einem Gemisch, welches Wasser enthält, können bessere Wärmeübergangswerte pro Zeiteinheit realisiert werden. Eine Prämisse für die Auswahl des flüssigen Kühlmittels ist, keine signifikanten Veränderungen der spektralen Eigenschaften des Lichtes zu bewirken. Die Beschaffenheit des Kühlmittelstromes, beispielsweise die Art und Weise der Berührung mit definierten Bereichen des Lampenkolbens, beeinflußt die gewünschte Wärmeleitung aus dem Lampenkolben wesentlich. Im Fokus stehen erfindungsgemäß insbesondere die Bereiche des
Lampenkolbens, die während des Betriebes der Lampe die höchsten Temperaturen aufweisen. Dabei ist die jeweilige Einbaulage der Lampe, beispielsweise waagerecht oder senkrecht, zu berücksichtigen, da diese die Temperaturverteilung innerhalb des Temperaturfelds im Entladungsraum und somit im Lampenkolben maßgeblich beeinflußt. Ein weiteres Kriterium für die erfindungsgemäße Dimensionierung und Gestaltung des Kühlsystems ist der Grad der Homogenisierung der Temperaturverteilung im Entladungsraum.
Ein Vorteil der erfmdungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Lampe und die Kühleinrichtung in aufeinander abgestimmter Weise betrieben werden können. Dies betrifft insbesondere die eingestellte Ausgangsleistung der Lampe, die um einen Faktor von zwischen etwa 2 und 10 gegenüber der Nennleistung der Lampe ohne Kühlung erhöht werden kann, ohne dass eine Entglasung des Lampenkolbens zu beobachten ist. Weiterhin ist durch das abgestimmte Betreiben, beispielsweise durch Verwendung eines Regelkreises, gewährleistet, dass beim Feststellen des Absinkens der Lampenspannung die Kühlung derart verringert wird, dass eine Kondensation von Quecksilber verhindert wird.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Hochdruckgasentladungslampe, die als Kurzbogenlampe ausgeführt ist und Projektionszwecken dient.
In dem Fall, wo die Leistungsaufnahme der Lampe veränderlich einstellbar sein kann oder muß, ist es zweckmäßig, den Kühlmittelstrom, der durch die Kühleinrichtung erzeugt wird, in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Lampe definiert zu steuern. Außerdem oder alternativ ist das Betreiben der Kühleinrichtung bevorzugt, wobei das Kühlmittel in einem üblichen geschlossenen Kreislauf bewegt wird.
Die Kühlung ist dann am effektivsten, wenn der Kühlmittelstrom zumindest auf einen Bereich des Lampenkolbens, der oberhalb des Entladungsraum liegt und somit regelmäßig die höchste Temperatur besitzt, direkt gerichtet ist.
Bei einer waagerechten Einbaulage der Lampe ist bevorzugt, dass der Kühlmittelstrom in erhöhtem Maße oder ausschließlich auf den Bereich gerichtet wird, der oberhalb von den sich gegenüberliegenden Elektrodenspitzen einer Elektrodenanordnung liegt. Ein im erhöhten Maße auf diesen Bereich gerichteter Kühlmittelstrom, ist beispielsweise durch einen sog. Außenkolben realisierbar, wobei durch der Kühlmittelstrom im oberen Bereich des Außenkolben größere Volumenströme auftreten als im unteren.
Bei einer senkrechten Einbaulage der Lampe ist bevorzugt dass der Kühlmittelstrom in erhöhtem Maße oder ausschließlich auf den Bereich gerichtet wird, der bei oberhalb der oberen Elektrodenspitze einer Elektrodenanordnung liegt. Der Kühlmittelstrom kann bevorzugt im Bereich der oberen Elektrodendurchführung geführt werden. Diese Führung des Kühlmittelstroms ist besonders zweckmäßig, weil in diesem Bereich des Lampenkolbens nur sehr wenig Licht emittiert wird. Die Flüssigkeitslcühlung beeinflußt damit die relevanten Lichtparameter nur unwesentlich.
Bevorzugt ist außerdem, dass der Bereich, der sich in der jeweiligen Einbaulage der Lampe oberhalb des Entladungsraums befindet, einen besseren
Wärmedurchgangskoeffizienten besitzt als der unterhalb liegende. Dies kann insbesondere erreicht werden, in dem im Bereich unterhalb und/oder oberhalb des Entladungsraums Mittel angeordnet sind und/oder der Lampenkolben derart dimensioniert ist, dass der dortige Wärmedurchgangskoeffizient im Sinne der Erfindung beeinflußbar ist. Solche in der Wärme- und Isolationstechnik an sich bekannten Mittel sind beispielsweise auf der äußeren
Oberfläche des Lampenkolbens aufgebrachte Isolationsschichten. Dadurch läßt sich der Wärmedurchgangskoeffizient im Allgemeinen noch effektiver beeinflussen. Außerhalb des wesentlichen Lichtkegels der Lampe, insbesondere in der Nähe der Elektrodendurchfuhrungen können auch nicht-transparente Schichten Verwendung finden. Dadurch läßt sich der Wärmedurchgangskoeffizient wesentlich effektiver beeinflussen.
Im Bereich unterhalb des Entladungsraums sind bevorzugt Mittel angeordnet, die den Wärmedurchgangskoeffizient des unten liegenden Bereiches des Lampenkolbens verringern, wie beispielsweise auf den Glaskörper aufgebrachte transparente Schichten. In diesem Sinne ist auch bevorzugt, dass sich die Wandstärke des Bereiches, der sich oberhalb des Entladungsraums befindet, hin zum unten liegenden Bereich verstärkt. Bei einer waagerechten Einbaulage des Lampenkolbens ist somit bevorzugt, dass sich die Wandstärke des Bereiches, der sich oberhalb von den sich gegenüberliegenden Elektrodenspitzen einer Elektrodenanordnung befindet, sich hin zum unten liegenden Bereich verstärkt.
Mit den Ausführungen gemäß den Ansprüchen 4 bis 7 wird die Wirksamkeit der Kühlung weiter verbessert, so dass die Lampenleistung weiter erhöht werden kann und die anderen Lampeneigenschaften, wie das Spektrum des abgegebenen Lichtes oder Brennspannung, zumindest erhalten bleiben.
Ein anderer Aspekt der Erfindung, gemäß der Ansprüche 8 und 9, zielt auf eine weitestgehende Homogenisierung der Temperaturverteilung im Entladungsraum selbst, so dass ein gegenüber dem Stand der Technik grundsätzlich unveränderter Lampenkolben Verwendung finden kann. Diesbezüglich bevorzugt ist, dass eine Homogenisierung der
Temperaturverteilung im Entladungsraum durch das Drehen der Lampe um die gedachte waagerechte Achse zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenspitzen erfolgt.
Alternativ kann eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im Entladungsraum durch ein Betreiben der Lampe im Bereich sog. akustischer Resonanzen erfolgen. Die akustischen Resonanzen werden dabei in bekannter Art und Weise, beispielsweise wie in der US 5880561 und US 6225724 beschrieben, benutzt, um eine Aufwärtskrümmung des Bogens zu verhindern und somit die Temperaturdifferenz im Lampenkolben zu verringern.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Beleuchtungseinheit mit zumindest einer Hochdruckgasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gelöst.
Eine solche Beleuchtungseinheit kann insbesondere für Projektionszwecke, bei denen Leistungen über 400 bis 7000 W benötigt werden, eingesetzt werden. Für besonders lichtstarke Projektoren (z. B. Electronic Cinema) sind Hochdruckgasentladungslampe ohne eine Kühlung nicht und mit einer Luftkühlung nur bedingt geeignet. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Schnittdarstellung der Hochdruckgasentladungslampe (UHP-Lampe),
Fig. 2 eine sich ohne Kühlung einstellende Temperaturverteilungen im Bereich des Entladungsraums und
Fig. 3 eine Temperaturverteilung im Bereich des Brennraums der Elektroden mit einer erfmdungsgemäßen Kühlung.
Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße UHP-Lampe in einer waagerechten Einbaulage der Lampe. Die UHP-Lampe besitzt ein Reflektorgehäuse 1, dessen Öffnung vorzugsweise mit einer Frontscheibe 2 abgeschlossen ist. Die Frontscheibe 2 bildet eine Lichtaustrittsfläche und dient zum Schutz der Umgebung im Falle einer Zerstörung der Lampe. Sie kann auch als Filterscheibe für das erzeugte Licht ausgelegt sein.
Eine Elektrodenanordnung 4 erstreckt sich von dem der Öffnung gegenüberliegenden Ende des Reflektorgehäuses 1 in dieses hinein. Die Elektrodenanordnung 4 umfasst im wesentlichen eine erste Elektrode 41 sowie eine zweite Elektrode 42, die sich in einem Lampenkolben 43 befinden, und zwischen deren gegenüberliegenden Spitzen in einem Entladungsraum 431 des Lampenkolbens 43 eine Lichtbogen-Entladung angeregt wird. Die jeweils anderen Enden der Elektroden 41, 42 sind mit elektrischen Anschlüssen 5, 6 der Lampe verbunden, über die durch ein Netzteil 8 die zum Betrieb der Lampe erforderliche Versorgungsspannung zugeführt wird. Neben der Elektrodenanordnung 4 erstreckt sich weiterhin ein zylinderformiger Außenkolben 3 in das Reflektorgehäuse 1. Der Außenkolben 3 besitzt einen Einlaß 31 und einen Auslass 32 über welche der Flüssigkeitsumlauf des Kühlmittels in einem geschlossenen Kühlkreislauf erfolgt. Die Kühleinrichtung 7 umfasst alle für einen herkömmlichen Kühlmittelkreislauf erforderlichen Komponenten, wie zumindest einen Flüssigkeitsbehälter, eine Pumpe, Einlaß- uns Auslass-Organe, ggf. ein Kühlaggregat, Temperaturmesseinrichtungen und entsprechende Verbindungsleitungen. Die vorgenannten elektrischen bzw. elektronischen Komponenten der Kühleinrichtung 7 besitzen regelmäßig zumindest eine Stromversorgung und Steuerung, und sind oft über Datensysteme vernetzt. Der Einlaß 31 ist an eine Umwälzpumpe angeschlossen, so dass durch diese ein Strömen der Flüssigkeit zwischen Einlaß 31 und Auslass 32 verursacht wird. Bei einem definiertem Volumendurchsatz durch den Außenkolben 3 wird eine den jeweiligen Betriebsbedingungen der Lampe angepaßte Wassereintrittstemperatur über den Einlaß 31 zugeführt. Der Kühlmittelstrom wird insbesondere durch die Anordnung des Einlasses 31 und die geometrischen Verhältnisse des Außenkolbens 3 auf des zu kühlenden Bereich des Lampenkolben 43 gerichtet. Der Auslass 32 ist in der Nähe des elektrischen Anschlusses 6 angeordnet, um insbesondere außerhalb des Lichtkegels der Lampe zu liegen.
Die erfindungsgemäße Lampe wird mit dem Netzteil 8 für eine allgemeine Netzspannung betrieben. Es umfasst eine erste Ansteuerschaltung zur Versorgung der Lampe sowie eine zweite Ansteuerschaltung zum Betreiben einer den Kühlmittelstrom 9 erzeugenden Quelle. Weiterhin ist eine Uberwachungs- und Steuereinrichtung vorgesehen, mit der die an der Lampe anliegende Lampenspannung gemessen wird. Alternativ dazu kann die zweite Ansteuerschaltung mit der Quelle zu einer gesonderten Kühleinheit kombiniert sein, wobei in diesem Fall die Uberwachungs- und Steuereinrichtung vorzugsweise einen Ausgangsanschluss aufweist, der zur Verbindung mit der Kühleinheit vorgesehen ist und an dem ein zum Beispiel digitales Informationssignal über die Höhe der Lampenspannung und - leistung anliegt.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kühlung sei zunächst anhand von Figur 2 der Bereich des Entladungsraum 431 der Elektrodenanordnung 4 näher erläutert. Figur 2 zeigt die einander gegenüberliegenden Bereiche der Elektroden 41, 42 sowie ihre Spitzen 411, 421, die sich in den Entladungsraum 431 des Lampenkolbens 43 erstrecken und zwischen denen sich im Betriebszustand der Lampe ein Lichtbogen 432 ausbildet. In diesem Zustand werden der Entladungsraum 431 und die umgebenden
Bereiche des Lampenkolbens 43, insbesondere die Wandbereiche, in unterschiedlichem Maße erwärmt. Die höchste Temperatur Tl am Lampenkolben 43 tritt an der in waagerechter Betriebsstellung der Lampe oberen Innenseite des Entladungsraums 431 auf, während die Temperatur T2 an der gegenüberliegenden unteren Innenseite des Entladungsraums 431 niedriger als Tl ist. Auf Grund des Temperaturgradienten durch die Wand des Lampenkolbens 43, die im allgemeinen aus Quarzglas besteht, ist die Temperatur T3 an der oberen Außenseite des Lampenkolbens 43 niedriger als die Temperatur Tl an der dortigen Innenseite, jedoch gleichzeitig die höchste Temperatur an der Außenseite des Lampenkolbens 43. Schließlich ist auch die Temperatur T4 an der unteren Außenseite des Lampenkolbens 43 niedriger als die Temperatur T2 an der unteren Innenseite. Die genannten Stellen sind in der Figur mit den Buchstaben Tl bis T4 bezeichnet. Somit ergeben sich unter anderem folgende Zusammenhänge: T2 < Tl, Tl > T3 und T2 > T4.
Beim Entwurf der Lampe und der Optimierung der Lichtausbeute ist zu berücksichtigten, dass diese Temperaturen folgende Bedingungen erfüllen müssen:
Die höchste Temperatur Tl an der oberen Innenseite des Lampenkolbens 43 darf nicht so hoch sein, dass die Gefahr einer Entglasung des Quarzglases besteht. Die niedrigste Temperatur T2 an der unteren Innenseite des Lampenkolbens 43 muss andererseits so hoch sein, dass das Quecksilber sich dort nicht niederschlägt, sondern in Form von Dampf erhalten bleibt. Für die Differenz Tl - T2 zwischen diesen beiden Temperaturen gilt, dass sie durch Konvektion und Wärmetransport in dem heißen Plasma bestimmt wird. Dies bedeutet, dass die Differenz proportional zu dem Gasdruck in dem Entladungsraum 43 ist und somit eine kritische Größe insbesondere bei UHP-Lampen darstellt.
Zur Erzielung der eingangs genannten Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Lampe wird ein möglichst hoher Gasdruck (Druck des
Quecksilberdampfes) angestrebt. Dieser Druck ist gemäß folgender Formel von der Temperatur T der kältesten Stelle im Entladungsraum 431 abhängig: pHg [bar] = 2,5 * 105 e -8150 K/τ Die Erhöhung des Gasdrucks wird also durch eine Erhöhung der Temperatur der kältesten Stelle im Entladungsraum 431 bewirkt. Um die Lampe bei einer entsprechend erhöhten Leistung betreiben zu können, ist erfindungsgemäß, dass ein flüssiges Kühlmittel auf den Lampenkolben 43 einwirkt, wobei der Kühlmittelstrom derart beschaffen ist, dass eine Entglasung der Innenseite des Lampenkolbens 43 und eine Kondensation des Gases im wesentlichen verhindert wird. Mit dieser Kühlung wird ein Kühlmittelstrom 9 gemäß der Darstellung durch die Pfeile in Figur 3 insbesondere auf den Bereich oberhalb des Entladungsraums 431 gerichtet. Dies hat eine Veränderung der Temperaturverteilung zur Folge. Die höchste Temperatur T3 an der Außenseite des Lampenkolben 43 wird durch die Kühlung auf eine Temperatur T13 vermindert und gleichzeitig in Strömungsrichtung an der Außenseite verschoben. Entsprechend wird auch die höchste Temperatur Tl an der Innenseite des Lampenkolbens 43 auf eine Temperatur TU vermindert und in Strömungsrichtung verschoben. Die niedrigste Temperatur T14 an der Außenseite des Lampenkolbens 43 befindet sich dort, wo der Kühlmittelstrom 9 auf den Lampenkolben 43 trifft. Innerhalb des Entladungsraums 431 ist an dessen unterer Seite entgegen der Strömungsrichtung verschoben die Temperatur T12 oder, bei besonders starker Strömung, an dessen oberer Seite entgegen der Strömungsrichtung verschoben, die Temperatur T122 als niedrigste Temperatur zu finden.
Mit der erfindungsgemäßen Kühlung ist es möglich, die Lampenleistung zu erhöhen, ohne dass dadurch die sehr kritische höchste Temperatur Tl an der oberen Innenseite des Lampenkolben 43 ansteigt. Selbst in dem Fall, in dem die Temperatur TU aufgrund unvorhergesehener Umstände doch ansteigen und eine lokale Entglasung des Lampenkolbens 43 verursachen sollte, stört diese den nutzbaren Lichtkegel nicht, da sie gemäß Figur 3 in einem durch die Elektroden abgeschatteten Bereich liegen würde.
Durch die erhöhte Lampenleistung sinkt die Temperatur T2 der kältesten Stellen in dem Entladungsraum 431 trotz der zusätzlichen Kühlung nicht ab. Somit tritt für einen großen Parameterbereich keine Kondensation von Quecksilber auf. Wesentlich hierbei ist die gleichzeitige Einstellung von Kühlmittelstrom und Lampenleistung, wobei der Kühlmittelstrom im allgemeinen in Abhängigkeit von der Lampenleistung gesteuert wird. Bei alleiniger Kühlung der Lampe (auch wenn diese gezielt auf die Oberseite gerichtet ist) ohne Erhöhung der Leistung würde das Quecksilber insbesondere bei den hier verwendeten
Lampen mit gesättigter Gasfüllung sofort kondensieren, so dass sich die Eigenschaften der Lampe in unerwünschtem Maße verschlechtern würden.
Weiterhin zeigte sich, dass eine für 150 Watt Nennleistung dimensionierte UHP-Lampe sogar mit 400 Watt betrieben werden konnte, ohne dass die Temperaturen innerhalb des Entladungsraums 431 die kritischen Grenzen überschritten. Insgesamt ergab sich, dass die maximale (erhöhte) Leistung dieser Lampen deutlich über 400 Watt hinaus vergrößert werden konnte, ohne die anderen Lampeneigenschaften zu beeinträchtigen. Allgemein kann die Ausgangsleistung der Lampen bei Anwendung der Kühlung um einen Faktor von 2 bis etwa 10 erhöht werden. Ferner kann es sinnvoll sein, die Größe der Elektroden an die möglichen höheren Ströme anzupassen.
Die den Kühlmittelstrom 9 erzeugende Quelle kann ein einfache stufenlos regelbare Umwälzpumpe sein, die so dimensioniert ist, dass der erforderliche Volumendurchsatz und damit bei bekannten Geometrien des Strömungskanals die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Kühlung besteht darin, dass in dem Fall, in dem die
Kühlung nach dem Abschalten der Lampe zum Beispiel für etwa 10 bis 30 Sekunden aufrechterhalten wird, das Gas (Quecksilber) relativ schnell kondensiert und damit der innere Gasdruck abnimmt. Die Kondensation erfolgt dabei nicht an den Elektroden, sondern an der Innenwand des Lampenkolbens 431. Dadurch ist bereits wenige Sekunden nach dem Abschalten der Lampe eine erneute Zündung mit relativer geringer Zündspannung möglich.
Um für eine gegebene Dimensionierung des Lampenkolbens 43 und des Entladungsraums 431 eine möglichst hohe Ausgangsleistung und einen hohen Betriebsdruck der Lampe zu erzielen, ist eine möglichst intensive Kühlung und somit ein starker
Kühlmittelstrom 9 erforderlich. Eine Grenze ist diesbezüglich jedoch durch die Kondensation von Quecksilber in dem Entladungsraum 431 gegeben. Es hat sich nun gezeigt, dass der Beginn der Kondensation an der kältesten Stelle in dem Entladungsraum 431, die nicht unbedingt an dessen unterer Seite liegen muss, durch Überwachung eines Absinkens der Lampenspannung erfasst werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, durch Auswertung und Rückkopplung der mit der Uberwachungs- und Steuereinrichtung erfassten Lampenspannung auf die zweite Ansteuerschaltung den Kühlmittelstrom 9 so zu regeln, dass er zwar möglichst stark ist, nicht jedoch so stark, dass für eine mit der ersten Ansteuerschaltung eingestellte Lampen-Lichtleistung eine die Lampeneigenschaften beeinträchtigende Kondensation auftritt. Umgekehrt kann also die Lichtleistung der Lampe durch optimierte Kühlung maximiert werden, wobei sich durch die Rückkopplung ein stabiler Betriebszustand einstellt.
Ein weiterer Vorteil der Kombination der erfindungsgemäßen Lampe mit dem Netzteil 8 der oben genannten Art ergibt sich bei einem Betrieb der Lampe mit unterschiedlichen Lichtleistungen. Insbesondere in dem Fall, in dem die Lampe gedimmt wird, können durch entsprechende Verminderung der Kühlung gemäß obiger Beschreibung die optimalen Betriebszustände (Gasdruck) im Entladungsraums 431 aufrechterhalten werden. Dies hat zur Folge, dass auch bei reduzierter Lichtleistung die Eigenschaften der Lampe insbesondere im Hinblick auf das Farbspektrum des abgestrahlten Lichtes nicht beeinträchtigt werden. Auf diese Weise wird der nutzbare Dimmbereich bei erfϊndungsgemäßen UHP-Lampen, der sich bei bekannten UHP-Lampen nur bis etwa 80 Prozent der maximalen Lichtleistung erstreckt, erweitert, da durch entsprechende Verminderung der Kühlung in Abhängigkeit von einem erfassten Absinken der Spannung an der Lampe eine Kondensation von Quecksilber weitgehend verhindert werden kann. Diese Reduzierung der Kühlung findet eine praktische Grenze in den physikalischen Eigenschaften des flüssigen Kühlmittels, insbesondere am Phasenübergang flüssig-gasförmig.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Gekühlte Hochdruckgasentladungslampe, zumindest umfassend einen gekühlten Lampenkolben (43), der einen mit einem Gas gefüllten Entladungsraum (431) hermetisch verschließt, wobei zum Zeitpunkt der Gasentladung zumindest im Entladungsraum (431) eine inhomogene Temperaturverteilung besteht, und eine Kühleinrichtung (7) mit einem Kühlmittel, die einen gerichteten Kühlmittelstrom (9) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiges Kühlmittel auf den Lampenkolben (43) einwirkt, die Lampe mit einer erhöhten Leistung betreibbar und der Kühlmittelstrom (9) derart beschaffen ist, dass bei der erhöhten Leistungsaufnahme der Lampe eine Entglasung des Lampenkolbens (43) und eine Kondensation des Gases im wesentlichen verhindert wird.
2. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet! dass die Hochdruckgasentladungslampe eine Kurzbogenlampe für Projektionszwecke ist.
3. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ dass der Kühlmittelstrom (9) durch die Kühleinrichtung (7) in Abhängigkeit von der
Leistungsaufnahme der Lampe gesteuert und/oder in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird.
4. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnett dass der Kühlmittelstrom (9) zumindest auf einen Bereich des Lampenkolbens (43), der oberhalb des Entladungsraum (431) liegt und die höchste Temperatur besitzt, direkt gerichtet ist.
5. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Bereich, der sich in der jeweiligen Einbaulage der Lampe oberhalb des
Entladungsraums (431) befindet, einen besseren Wärmedurchgangskoeffizient besitzt als der unterhalb liegende.
6. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass im Bereich unterhalb und/oder oberhalb des Entladungsraums (431) Mittel angeordnet sind und/oder der Lampenkolben (43) derart dimensioniert ist, dass der dortige Wärmedurchgangskoeffizient beeinflußbar ist.
7. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet^ dass sich die Wandstärke des Bereiches, der sich oberhalb des Entladungsraums (431) befindet, hin zum unten liegenden Bereich verstärkt.
8. Hochdruckgasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im Entladungsraum (431) durch das Drehen der Lampe um die gedachte Achse zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenspitzen (411, 421) erfolgt.
9. Hochdruckgasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im Entladungsraum (431) durch ein Betreiben der Lampe im Bereich sog. akustischer Resonanzen erfolgt.
10. Beleuchtungseinheit für Beleuchtungs- und/oder Projektionszwecke mit zumindest einer Hochdruckgasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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