WO2012004166A1 - Kurzbogenlampe - entladungslampe - Google Patents

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WO2012004166A1
WO2012004166A1 PCT/EP2011/060867 EP2011060867W WO2012004166A1 WO 2012004166 A1 WO2012004166 A1 WO 2012004166A1 EP 2011060867 W EP2011060867 W EP 2011060867W WO 2012004166 A1 WO2012004166 A1 WO 2012004166A1
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short
lamp
arc discharge
discharge lamp
lamp according
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PCT/EP2011/060867
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Inventor
Wolfgang Seitz
Matthias Morkel
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/24—Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
    • H01J61/26—Means for absorbing or adsorbing gas, e.g. by gettering; Means for preventing blackening of the envelope
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/16—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having helium, argon, neon, krypton, or xenon as the principle constituent
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a short-arc discharge lamp ge ⁇ according to the preamble of claim 1.
  • Such short-arc discharge lamp with a rare gas or an inert gas mixture as a discharge medium or as a light imaging substance is for example the XBO ® - lamp Osram (www .osram.de).
  • the inert gas xenon It is filled with the inert gas xenon and has ⁇ typi cally high values for luminance and Farbwidergabe- index and a corresponding daylight color temperature and Tempe ⁇ a continuous spectrum in the visible range. In addition, it is characterized by a high stability ⁇ stability and constancy of these variables both during operation and over the life. Due to the mentioned features, such discharge lamps in a power level up to about 450 watts are used in precise technical and scientific applications. Examples are fluorescence spectrometers, light sources for microscopy, graphic scanners or colorimeters.
  • the short-arc discharge lamp has a cross-section run ⁇ or oval discharge vessel.
  • the discharge vessel and the lamp shafts together form a lamp vessel which contains as the discharge medium a noble gas such as xenon, argon or krypton or a mixture of these noble gases.
  • a noble gas such as xenon, argon or krypton or a mixture of these noble gases.
  • the lamp vessel consists of quartz glass.
  • a base sleeve for electrical contacting is arranged at the end portions of the lamp shafts.
  • the anode In the interior of the discharge vessel, in the so-called Entla ⁇ training space, two opposing and closely spaced electrodes or electrode heads are arranged. Between them, a light-emitting short arc forms during operation. Due to the high operating temperatures in the discharge region, especially where the short arc touches the electrodes, these preferably consist of tungsten. If the lamp is designed for DC operation, the anode preferably has a circular-cylindrical basic form on a frustoconical end portion. One of the cathode opposite end face of this cone ⁇ stump is planar or slightly curved inward. By contrast, the cathode has a rather tapered or pointed geometry.
  • the anode In comparison with the cathode, the anode has a comparatively large volume in order to be able to deliver the thermal energy supplied thereto via heat radiation, heat transfer and heat conduction via a large anode surface.
  • the electrodes are each attached at the end of a current feedthrough. assigns. This current feedthrough leads from the respective electrode through the associated lamp shaft to a sealing portion of the lamp vessel. There transition glasses are glued to the power feedthrough, so that the current feedthrough is sealed gas-tight in the lamp vessel. Outside the lamp vessel the Strom pleat ⁇ tion is contacted with an external power supply.
  • the problem of precipitation is broad limited to the discharge vessel of the lamp, as a ge ⁇ rings power or current allows a simple compact design of the power feedthrough.
  • the sealing section In the region of the sealing section, it is designed as one or more films, which are melted and / or crushed in the glass of the lamp vessel (film fusion), which is gas-tight.
  • the sealing ⁇ section is arranged in this way relatively close to the discharge ⁇ vessel. The cold spot temperature is thereby relatively close to the discharge arc or the discharge vessel and has relatively high temperature values.
  • electrode rods are preferably used as a current feedthrough.
  • a permanently gas-tight implementation of the electrode rods represents a technical challenge because of high thermal cycling in the sealing portion, due to greatly different thermal expansion coefficients of Elektrodenstabma- material and quartz glass and because of a large mass of the electrode rod.
  • the sealing portion must be in this case as a step fusion using transitional glasses (Stabeinschmelzung be formed or pressure-relieved Domeinschmelzung or engl. "Graded seal"). This favournein- melting claimed in comparison with the Folieneinschmel ⁇ wetting along a longitudinal axis of the lamp shaft lot of space.
  • the electrode rod between the sealing portion and the electrode is costly, crizottiswei ⁇ se be mounted in a sliding manner by means of a glass pane ("disc-seal") arranged in the lamp shaft, so that ne temperature-induced axial length change of the electric ⁇ denstabes can be compensated.
  • This storage is not gas-tight.
  • the sealing portion is located relatively far from the tube-making and unloading a side space is formed between the discharge vessel and the discharge space and the sealing portion which communicates with the discharge space in gas communication. This leads in comparison to the low-watted short-arc discharge lamps with Folienein- fusion to a lower cold spot temperature and high condensation rates of the evaporated tungsten in the area of the side room or lamp shaft.
  • a breakdown of the compound in a solid precipitate of tungsten on the electrode and in the gaseous halogen or the gaseous halogen compound is carried out ⁇ shaped.
  • the halogen is bromine and the preference ⁇ example its gaseous or liquid at room temperature compounds HBr or CH 2 Br. 2
  • EP 1217 644 Bl shows a purely geometric approach. It reveals mathematical relationships, about the value ranges for specific electrode geometry and a preferred current of the discharge lamp can be calculated for a ge ⁇ passed lamp power. So is minimized through ei ⁇ ne optimized design of the electrode geometry and the current consumption, the evaporation and the darkness of Lam ⁇ pengefäßes.
  • a disadvantage of this solution is that only ranges of values are provided, an exact or analytical interpretation of ⁇ electrodes is not possible. Furthermore, the solution represents a high constructive effort, and a blackening caused, for example, in the lamp vessel by excessive cooling of the lamp remains irreversibly preserved.
  • the invention is therefore based on the object to provide a short-arc discharge lamp with a noble gas or a noble gas mixture as a discharge medium and with a Stabeinschmelzung in which caused by a evaporation of electrode material blackening of the lamp vessel is prevented.
  • This object is achieved by a short-arc discharge lamp having the features of patent claim 1.
  • the short-arc discharge lamp according to the invention has a lamp vessel which is filled with a discharge medium which contains a noble gas or a noble gas mixture.
  • the lamp vessel has a discharge space and at least ei ⁇ nen secondary room, wherein the discharge space and the adjacent room are in gas communication with each other.
  • two electrodes are arranged in the discharge space.
  • the electrodes are preferably made of tungsten or at least in sections which are exposed to a very high thermal load, preferably formed from tungsten.
  • ⁇ at least one of the two electrodes is at an end section of an electrode rod disposed.
  • a minimum temperature in the next room is below the minimum len temperature in the discharge space, ie the side room has colder places than the discharge space. These locations preferably occur on an inner side of the lamp vessel.
  • the discharge medium contains according to the invention as an additive elemental chlorine or a chlorine compound or a plurality of chlorine compounds or a mixture thereof.
  • the addition may be at ambient conditions in gaseous, liquid but also solid phase, in the operating state it is preferably gaseous due to the high temperatures in the lamp vessel. Chlorine or its compounds can be dosed very well.
  • a halogen or a chlorine cycle process is realized in the lamp vessel, which prevents or reduces a blackening of the lamp vessel caused by evaporation of an electrode material.
  • Even already existing densities which can be caused, for example, in spite of a modern fiction, ⁇ chlorine addition due to excessive cooling of the lamp, are at a suitable operating temperature above the cycle again entfern- bar.
  • the chlorine and / or the chlorine compound reacts with the evaporated or with the already precipitated on the lamp vessel electrode material, for example, tungsten ⁇ , and remains in a gaseous state of matter. By free convection within the lamp vessel, the resulting compound is transported back to the hot electrodes. There, the compound is thermally split, so that the electrode material is in solid form at the electrode tellla ⁇ Gert again.
  • the chlorine compound or the elemental chlorine remains under operating conditions in the gas phase and is henceforth again available to the chlorine cycle.
  • An optionally inherently contained as an impurity in the chlorine compound oxygen accelerates ⁇ advantageous manner the cyclic process.
  • the temperature minimum in the next room of the lamp vessel is in a normal operating condition of the lamp between 150 ° C and 450 ° C.
  • the electrode rod is covered in sections or entirely by a lamp shaft.
  • the auxiliary space is preferably formed in the lamp shaft from ⁇ .
  • the temperature minimum or the "cold spot" is thus also formed in the lamp shaft, as this has, on the one hand, areas that are far away from the discharge space or from a hot discharge arc and, on the other hand, relatively difficult to access for a hot convection flow of the discharge medium ,
  • the added chlorine compound is preferably a chloride, for example a chloride of the electrode material affected by the "sputtering effect" or of the evaporation, If this material is tungsten, it is tungsten chloride
  • the elemental chlorine or the abovementioned chlorine compounds are thermally stable at low temperatures of below 450 ° C., do not condense and nevertheless react reactively with the electrode material or with tungsten, such a fervor minimize it further.
  • a chlorine cycle according to the invention works well, in particular up to a lower temperature of 150 ° C. Chlorine or its compounds are therefore found to be particularly favorable to realize and maintain the halogen cycle at the low temperatures due to rod fusion.
  • the present in solid form tungsten oxychloride is particularly easy to meter at ambient ⁇ conditions.
  • the noble gas is preferably argon, krypton or xenon, or the noble gas mixture contains argon, krypton or xenon.
  • Krypton and argon have the advantage of a lower price and can therefore replace the expensive xenon pro rata in a mixture. It is particularly advantageous if a concentration of the chlorine contained in elemental form and / or in the form of a chlorine compound is between 50 and 5000 ppm in the discharge medium.
  • the short arc discharge lamp has a power consumption greater than 0.5kW.
  • the short-arc discharge lamp is designed as a high-pressure or high-pressure discharge lamp.
  • a cold filling pressure is above 4 bar, eg between 15 and 30 bar. In the intended hot operating condition, the pressure is about 3 times the value of the cold filling pressure.
  • the short arc discharge lamp is supplied with direct current or with ge ⁇ pulsed direct current.
  • DC has the advantage of allowing specific anode and cathode geometries optimized to the requirements and thus to produce a stable arc with a high luminance.
  • the short-arc discharge lamp according to the invention is particularly suitable for use in projectors or cinema projectors.
  • the high light density, stability of unloading ⁇ charge arc and the color fastness of light are the ⁇ particular in the field of cinema prerequisite.
  • Short-arc discharge lamp according to an embodiment ⁇ example.
  • Figure 1 shows a partial section through a erfindungsge ⁇ Permitted short-arc discharge lamp according to an embodiment example.
  • the short-arc discharge lamp 1 (XBO ® 2200 W / HP from Osram) has a lamp vessel consisting of a lamp bulb or a discharge vessel 2, and two diametrically thereto Toggle ordered lamp shafts 4 and 6.
  • a pump tip 7 on the lamp shaft 6 is the point through which the lamp 1 was filled with a discharge medium xenon.
  • At the end portions of the lamp shafts 4, 6 lamp sockets 8, 10 are arranged, at which power connections 9, 11 are provided, via which the lamp 1 is electrically contacted. Since during operation of the lamp 1 characteristically high temperatures of more than 700 ° C., strong temperature fluctuations and high pressures of several 10 bar occur, the lamp vessel is made of quartz glass. This material has a required high thermal shock resistant ⁇ ness, softening temperature and pressure resistance.
  • the discharge medium xenon occupies a discharge space 12 and in the two lamp shafts 4, 6 side rooms 14 and 16 a.
  • an anode 24 is arranged at a short distance relative to a cathode 22.
  • the cathode 22 is designed to generate high temperatures conical and tapered to ensure a defined arc approach and a sufficient electron flow due to thermal ⁇ shear emission and field emission.
  • the anode 24 has a circular cylindrical basic shape with a frusto-conical end portion.
  • One of the cathode 22 opposite end face of this truncated cone is formed planar.
  • Both electrodes 22, 24 are supplied via current feedthroughs, which are formed as electrode rods 26 and 28, with power.
  • the electrode rods 26, 28 and the electrodes 22, 24 are made of pure tungsten.
  • the electrode rods 26, 28 are arranged coaxially in the lamp shafts 4, 6 and are slidably mounted in a respective "disc seal” 18, 20, which is likewise made of quartz glass
  • the disc seal 18, 20 on the one hand enables centering the electrode rods 26, 28 in the lamp shafts 4, 6 and on the other temperature-induced changes in length of the electrode rods 26, 28.
  • the "Disc-Seal" 18, 20 ge via a spring 30, 32 against a discharge vessel-side taper 34, 36 of the lamp vessel ge ⁇ suppressed.
  • the electrodes 22, 24 and the electrode rods 26, 28 are formed from expensive rem tungsten, it is advantageous from ⁇ finally very high thermal usually loaded end face portions of the electrodes 22, 24 to which the Ent - charge arc sets to train from tungsten.
  • the remaining portions of the electrode rods 26, 28 and thermally less loaded portions of the electrodes 22, 24, may be formed of an alternative sufficiently thermally stable but cheaper conductor material.

Abstract

Offenbart ist eine Kurzbogen - Entladungslampe mit einem Lampengefäß, das einen Entladungsraum (12) und zumindest einen Nebenraum (14, 16) aufweist. Das Lampengefäß ist mit einem edelgashaltigen Entladungsmedium gefüllt. Im Entladungsraum sind zwei Elektroden (22, 24) angeordnet. Zumindest eine Elektrode ist dabei an einem Elektrodenstab (26, 28) angeordnet. Um einen Halogenkreisprozess zu realisieren und so abgedampftes Elektrodenmaterial zu den Elektroden zurückzuführen, enthält das Entladungsmedium elementares Chlor oder eine Chlorverbindung.

Description

Beschreibung
Kurzbogenlampe-Entladungslampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kurzbogen-Entladungslampe ge¬ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Eine derartige Kurzbogen-Entladungslampe mit einem Edel- gas oder einem Edelgasgemisch als Entladungsmedium bzw. als lichtgebender Substanz ist beispielsweise die XBO®- Lampe von Osram (www .osram.de) .
Sie ist mit dem Edelgas Xenon befüllt und weist typi¬ scherweise hohe Werte für Leuchtdichte und Farbwidergabe- index, sowie eine dem Tageslicht entsprechende Farbtempe¬ ratur und ein kontinuierliches Spektrum im sichtbaren Bereich auf. Zudem zeichnet sie sich durch eine hohe Stabi¬ lität und Konstanz dieser Größen sowohl im Betrieb als auch über die Lebensdauer aus . Aufgrund der genannten Leistungsmerkmale kommen derartige Entladungslampen in einer Leistungsstufe bis etwa 450 Watt in präzisen technisch - wissenschaftlichen Anwendungen zum Einsatz. Beispiele sind Fluoreszenzspektrometer, Lichtquellen für die Mikroskopie, graphische Scanner oder Farbmessgeräte .
Anwendungen für Entladungslampen mit Leistungen größer als 450 Watt sind beispielsweise die Projektionstechnik insbesondere die Kinoprojektion. Die Kurzbogen-Entladungslampe hat ein im Querschnitt run¬ des oder ovales Entladungsgefäß. Am Entladungsgefäß sind zwei diametral zueinander angeordnete Lampenschäfte aus¬ gebildet. Das Entladungsgefäß und die Lampenschäfte bil- den zusammen ein Lampengefäß, das als Entladungsmedium ein Edelgas wie beispielsweise Xenon, Argon oder Krypton oder eine Mischung dieser Edelgase enthält. Aufgrund ei¬ ner hohen thermischen Belastung und eines hohen Betriebsdruckes besteht das Lampengefäß aus Quarzglas. An Endab- schnitten der Lampenschäfte ist jeweils eine Sockelhülse für eine elektrische Kontaktierung angeordnet.
Im Innenraum des Entladungsgefäßes, im sogenannten Entla¬ dungsraum, sind zwei gegenüberliegende und zueinander eng beabstandete Elektroden bzw. Elektrodenköpfe angeordnet. Zwischen ihnen bildet sich ein im Betrieb lichtspendender Kurzbogen aus. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen im Entladungsbereich, insbesondere dort wo der Kurzbogen die Elektroden berührt, bestehen diese bevorzugt aus Wolfram. Ist die Lampe für einen Gleichstrombetrieb vorgesehen, weist die Anode bevorzugt eine kreiszylindrische Grund¬ form mit einem kegelstumpfartigen Endabschnitt auf. Eine der Kathode gegenüber liegende Stirnseite dieses Kegel¬ stumpfes ist dabei planar oder etwas nach innen gewölbt ausgebildet. Die Kathode weist dagegen eine eher kegelar- tige oder spitz zulaufende Geometrie auf. Die Anode hat dabei im Vergleich zur Kathode ein vergleichsweise großes Volumen, um so über eine große Anodenoberfläche die ihr zugeführte Wärmeenergie über Wärmestrahlung, Wärmeübergang und Wärmeleitung abgeben zu können. Die Elektroden sind dabei jeweils am Ende einer Stromdurchführung ange- ordnet. Diese Stromdurchführung leitet von der jeweiligen Elektrode durch den zugehörigen Lampenschaft bis zu einem Abdichtungsabschnitt des Lampengefäßes. Dort sind an die Stromdurchführung Übergangsgläser angeglast, so dass die Stromdurchführung gasdicht in das Lampengefäß eingefasst ist. Außerhalb des Lampengefäßes ist die Stromdurchfüh¬ rung mit einer äußeren Stromzuführung kontaktiert.
Ein erhebliches Problem im Betrieb der Kurzbogen- Entladungslampen ist eine Abdampfung (engl. „Sputter"- Effekt) von Elektrodenmaterial aufgrund der an den Elekt¬ roden herrschenden sehr hohen Temperaturen und ein anschließender Niederschlag des Materials an vergleichswei¬ se kalten Stellen („Cold Spots") des Lampengefäßes. Mit zunehmender Betriebsdauer führt dies zu einer stärker werdenden Schwärzung der Innenwand des Lampengefäßes und zu einer entsprechend geringeren Strahlungsleistung. Damit verbunden ist, dass mit zunehmender Schwärzung auch eine Betriebstemperatur im Lampengefäß aufgrund der stärkeren Absorption des emittierten Lichtes, insbesondere im Schwärzungsbereich, ansteigt. Ein weiterer negativer Effekt ist, dass es zu einem fortgesetzten Abtrag der Elektroden und somit zu einer ungünstigeren Elektrodengeometrie kommt. Hierdurch verschlechtert sich eine Stabi¬ lität und Form des Plasmabogens. In Summe resultiert das Abdampfen des Elektrodenmaterials der Kurzbogen- Entladungslampe in einer Verkürzung ihrer Lebensdauer und in einer Verschlechterung wichtiger Leistungsmerkmale.
Für Kurzbogen-Entladungslampen mit Leistungen kleiner als 450 Watt ist das Problem des Niederschlages weitgehend auf das Entladungsgefäß der Lampe begrenzt, da eine ge¬ ringe Leistung bzw. Stromstärke eine einfache kompakte Bauweise der Stromdurchführung ermöglicht. Im Bereich des Abdichtungsabschnittes ist sie dabei als eine oder mehre- re Folien ausgebildet, die in das Glas des Lampengefäßes eingeschmolzen und / oder eingequetscht ist bzw. sind (Folieneinschmelzung), die gasdicht ist. Der Abdichtungs¬ abschnitt ist auf diese Weise relativ nah am Entladungs¬ gefäß angeordnet. Die Cold Spot Temperatur befindet sich dadurch relativ nah am Entladungsbogen bzw. am Entladungsgefäß und weist relativ hohe Temperaturwerte auf.
Für Kurzbogen-Entladungslampen mit Leistungen größer als 450 Watt bis in den Multikilowatt-Bereich kommen bevorzugt Elektrodenstäbe als Stromdurchführung zum Einsatz. Eine dauerhaft gasdichte Durchführung der Elektrodenstäbe stellt wegen einer hohen Temperaturwechselbeanspruchung im Abdichtungsabschnitt, wegen stark unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten des Elektrodenstabma- terials und des Quarzglases und wegen einer großen Masse des Elektrodenstabes eine technische Herausforderung dar. Der Abdichtungsabschnitt muss in diesem Fall als eine Stufeneinschmelzung mittels Übergangsgläser (Stabeinschmelzung bzw. druckentlastete Domeinschmelzung bzw. engl. „Graded Seal") ausgebildet sein. Diese Stufenein- Schmelzung beansprucht im Vergleich zur Folieneinschmel¬ zung entlang einer Längsachse des Lampenschaftes viel Platz. Zudem muss der Elektrodenstab zwischen dem Abdichtungsabschnitt und der Elektrode aufwändig, beispielswei¬ se durch eine im Lampenschaft angeordnete Glasscheibe (engl. „Disc-Seal") , gleitend gelagert werden, sodass ei- ne temperaturbedingte axiale Längenänderung des Elektro¬ denstabes kompensiert werden kann. Diese Lagerung ist nicht gasdicht. Eine Folge dieser Bauweise ist, dass der Abdichtungsabschnitt relativ weit entfernt vom Entla- dungsgefäß angeordnet ist und zwischen dem Entladungsge¬ fäß bzw. dem Entladungsraum und dem Abdichtungsabschnitt ein Nebenraum ausgebildet ist, der mit dem Entladungsraum in Gasverbindung steht. Dies führt im Vergleich zu den niedrigwattigen Kurzbogen-Entladungslampen mit Folienein- Schmelzung zu einer niedrigeren Cold Spot Temperatur und zu hohen Kondensationsraten des abgedampften Wolframs im Bereich des Nebenraumes bzw. Lampenschaftes.
Einen Lösungsansatz, der auf Kurzbogen-Entladungslampen mit Leistungen kleiner als 450 Watt bzw. mit einer Fo- lieneinschmelzung als Stromdurchführung eingeschränkt ist, zeigt die WO 2009/115116 AI. Zur Minimierung der Schwärzung bzw. zur Rückführung des abgedampften Wolframs offenbart sie einen Halogenkreisprozess . Ein dem Entla¬ dungsmedium Xenon beigemischtes elementares Halogen oder eine beigemischte Halogenverbindung, das oder die bei Be¬ triebsbedingungen gasförmig vorliegt, reagiert dabei mit dem abgedampften oder niedergeschlagenen Elektrodenmaterial Wolfram. Durch freie Konvektion des Entladungsmedi¬ ums wird die entstandene Wolframhalogenverbindung zu den Elektroden zurücktransportiert. Beim Kontakt mit den hei¬ ßen Stellen der Elektroden erfolgt eine Aufspaltung der Verbindung in einen festen Niederschlag des Wolframs an der Elektrode und in das gasförmige Halogen bzw. die gas¬ förmige Halogenverbindung. Für die Betriebsbedingungen der Kurzbogen-Entladungslampen mit geringer Leistung be- nennt die WO 2009/115116 AI das Halogen Brom und vorzugs¬ weise dessen bei Raumtemperatur gasförmige oder flüssigen Verbindungen HBr oder CH2Br2.
Nachteilig hieran ist, dass die Lösung auf Kurzbogen- Entladungslampen mit Folieneinschmelzung beschränkt ist und keine Lösung für niedrige Cold Spot Temperaturen, wie sie für eine Stabeinschmelzung typisch sind, offenbart ist .
Für Kurzbogen-Entladungslampen mit Leistungen größer als 450 Watt bzw. mit einer Stabeinschmelzung zeigt die EP 1217 644 Bl einen rein geometrischen Lösungsansatz. Sie offenbart mathematische Relationen, über die für eine ge¬ gebene Lampenleistung Wertebereiche für spezifische Elektrodengeometrien und eine bevorzugte Stromstärke der Entladungslampe berechnet werden können. So wird über ei¬ ne optimierte Auslegung der Elektrodengeometrie und der Stromaufnahme, das Abdampfen und die Schwärzung des Lam¬ pengefäßes minimiert.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass nur Wertebereiche bereitgestellt werden, eine exakte bzw. analytische Aus¬ legung der Elektroden ist nicht möglich. Des Weiteren stellt die Lösung einen hohen konstruktiven Aufwand dar, und eine beispielsweise durch eine zu starke Kühlung der Lampe entstandene Schwärzung im Lampengefäß bleibt irre- versibel erhalten.
Zusammenfassend zeigt der Stand der Technik für Kurzbo¬ gen-Entladungslampen mit einem Edelgas oder einem Edelgasgemisch als Entladungsmedium und mit einer Stabein- Schmelzung keine einfache und kostengünstige Lösung, mit der eine Schwärzung im Lampengefäß verhindert werden kann .
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kurzbogen-Entladungslampe mit einem Edelgas oder einem Edelgasgemisch als Entladungsmedium und mit einer Stabeinschmelzung bereitzustellen, bei der eine durch eine Abdampfung von Elektrodenmaterial verursachte Schwärzung des Lampengefäßes verhindert ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kurzbogen- Entladungslampe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe hat ein Lampengefäß, das mit einem Entladungsmedium befüllt ist, das ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch enthält. Das Lampengefäß hat dabei einen Entladungsraum und zumindest ei¬ nen Nebenraum, wobei der Entladungsraum und der Nebenraum miteinander in Gasverbindung stehen. Im Entladungsraum sind zwei Elektroden angeordnet. Die Elektroden bestehen dabei bevorzugt aus Wolfram oder sind zumindest in Ab¬ schnitten, die einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, bevorzugt aus Wolfram gebildet. Zumin¬ dest eine der beiden Elektroden ist dabei an einem Endab- schnitt eines Elektrodenstabes angeordnet. Eine minimale Temperatur im Nebenraum liegt dabei unterhalb der minima- len Temperatur im Entladungsraum, d.h. der Nebenraum weist kältere Stellen auf als der Entladungsraum. Diese Stellen treten bevorzugt an einer Innenseite des Lampengefäßes auf. Das Entladungsmedium enthält erfindungsgemäß als Beigabe elementares Chlor oder eine Chlorverbindung oder mehrere Chlorverbindungen oder eine Mischung davon. Die Beigabe kann dabei bei Umgebungsbedingungen in gasförmiger, flüssiger aber auch fester Phase vorliegen, im Betriebszustand ist sie aufgrund der hohen Temperaturen im Lampengefäß bevorzugt gasförmig. Chlor oder dessen Verbindungen können sehr gut dosiert werden. Durch die Beigabe wird ein Halogen- bzw. ein Chlor-Kreisprozess im Lampengefäß realisiert, der eine durch Abdampfung eines Elektrodenmaterials verursachte Schwärzung des Lampenge- fäßes verhindert oder reduziert. Selbst schon bestehende Schwärzungen, die beispielsweise trotz einer erfindungs¬ gemäßen Chlorbeigabe durch eine zu starke Kühlung der Lampe verursacht werden können, sind bei einer geeigneten Betriebstemperatur über den Kreisprozess wieder entfern- bar. Das Chlor und / oder die Chlorverbindung reagiert dabei mit dem abgedampften oder mit dem bereits am Lampengefäß niedergeschlagenen Elektrodenmaterial, bei¬ spielsweise Wolfram, und verbleibt in einem gasförmigen Aggregatzustand . Durch freie Konvektion innerhalb des Lampengefäßes wird die so entstandene Verbindung zurück zu den heißen Elektroden transportiert. Dort wird die Verbindung thermisch aufgespaltet, sodass das Elektrodenmaterial in fester Form wieder an der Elektrode abgela¬ gert wird. Die Chlorverbindung bzw. das elementare Chlor verbleibt bei Betriebsbedingungen in der Gasphase und steht fortan wieder dem Chlor-Kreisprozess zur Verfügung. Ein in der Chlorverbindung ggf. inhärent als Verunreinigung enthaltener Sauerstoff beschleunigt dabei vorteil¬ hafter Weise den Kreisprozess.
Das Temperaturminimum im Nebenraum des Lampengefäßes liegt dabei in einem bestimmungsgemäßem Betriebszustand der Lampe zwischen 150°C und 450°C.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe ist der Elektrodenstab ab¬ schnittsweise oder ganz von einem Lampenschaft umfasst. Der Nebenraum ist bevorzugter Weise im Lampenschaft aus¬ gebildet. Das Temperaturminimum bzw. der „Cold Spot" ist somit ebenso im Lampenschaft ausgebildet, da dieser zum Einen Bereiche aufweist, die weit vom Entladungsraum bzw. von einem heißen Entladungsbogen entfernt angeordnet sind und zum Anderen für eine heiße Konvektionsströmung des Entladungsmediums relativ schwer zugänglich sein kann.
Bevorzugter Weise ist die beigegebene Chlorverbindung ein Chlorid, beispielsweise ein Chlorid des vom „Sputter- Effekt" bzw. von der Verdampfung betroffenen Elektroden- materials. Ist dieses Material Wolfram, handelt es sich um Wolframchlorid . Um den Kreisprozess zu beschleunigen, kann sauerstoffhaltiges Oxychlorid oder ein Oxychlorid des Elektrodenmaterials, also beispielsweise Wolframo- xychlorid, beigegeben werden. Das elementare Chlor oder die genannten Chlorverbindungen sind bei den niedrigen Temperaturen von unter 450°C thermisch stabil, kondensieren nicht aus und verhalten sich dennoch reaktiv mit dem Elektrodenmaterial bzw. mit Wolfram, um so eine Schwär- zung weiter zu minimieren. Versuche zeigen, dass ein erfindungsgemäßer Chlor-Kreisprozess insbesondere bis zu einer unteren Temperatur von 150°C gut arbeitet. Chlor oder seine genannten Verbindungen erweisen sich daher als besonders günstig, um den Halogen-Kreisprozess bei den durch die Stabeinschmelzung bedingten niedrigen Temperaturen zu realisieren und aufrechtzuerhalten. Das in fester Form vorliegende Wolframoxychlorid ist bei Umgebungs¬ bedingungen besonders leicht zu dosieren. Bevorzugter Weise ist das Edelgas Argon, Krypton oder Xenon, oder das Edelgasgemisch enthält Argon, Krypton oder Xenon. Krypton und Argon weisen dabei den Vorteil eines geringeren Preises auf und können somit in einer Mischung das teure Xenon anteilig ersetzen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Konzentration des Chlors, das in elementarer Form und / oder in Form einer Chlorverbindung enthalten ist, im Entladungsmedium zwischen 50 und 5000 ppm liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kurzbogen- Entladungslampe eine Leistungsaufnahme, die größer als 0,5kW ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kurzbogen- Entladungslampe als Hochdruck- oder Höchstdruck- Entladungslampe ausgebildet. Ein Kaltfülldruck liegt da- bei oberhalb von 4 bar z.B. zwischen 15 und 30 bar. Im bestimmungsgemäßen heißen Betriebszustand hat der Druck etwa den 3-fachen Wert des Kaltfülldruckes. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kurzbogen-Entladungslampe mit Gleichstrom oder mit ge¬ pulstem Gleichstrom versorgt. Gleichstrom hat den Vorteil, spezifische und an die Anforderungen optimierte Anoden- bzw. Kathodengeometrien zu ermöglichen und somit einen stabilen Lichtbogen mit einer hohen Leuchtdichte zu erzeugen .
Die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe eignet sich besonders für einen Einsatz in Projektoren oder Kinoproj ektoren . Die hohe Lichtdichte, Stabilität des Ent¬ ladungsbogens und die Farbechtheit des Lichtes sind ins¬ besondere im Kinobereich Grundvoraussetzung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße
Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einem Ausführungs¬ beispiel .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine erfindungsge¬ mäße Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einem Ausführungs- beispiel.
Die Kurzbogen-Entladungslampe 1 (XBO® 2200 W/HP von Os- ram) hat ein Lampengefäß bestehend aus einem Lampenkolben bzw. einem Entladungsgefäß 2 und zwei daran diametral an- geordneten Lampenschäften 4 und 6. Eine Pumpspitze 7 am Lampenschaft 6 ist die Stelle, über die die Lampe 1 mit einem Entladungsmedium Xenon befüllt wurde. An Endabschnitten der Lampenschäfte 4, 6 sind Lampensockel 8, 10 angeordnet, an denen Stromanschlüsse 9, 11 vorgesehen sind, über die die Lampe 1 elektrisch kontaktierbar ist. Da im Betrieb der Lampe 1 charakteristischer Weise hohe Temperaturen von mehr als 700 °C, starke Temperaturschwankungen und hohe Drücke von mehreren 10 bar auftreten, be- steht das Lampengefäß aus Quarzglas. Dieses Material weist eine erforderliche hohe Temperaturwechselbeständig¬ keit, Erweichungstemperatur und Druckfestigkeit auf. Das Entladungsmedium Xenon nimmt einen Entladungsraum 12 und in den beiden Lampenschäften 4, 6 Nebenräume 14 und 16 ein.
Im Entladungsraum 12 ist eine Anode 24 in kurzem Abstand gegenüber einer Kathode 22 angeordnet. Die Kathode 22 ist zur Erzeugung hoher Temperaturen kegelförmig und spitz zulaufend ausgebildet, um einen definierten Bogenansatz und einen ausreichenden Elektronenfluss aufgrund thermi¬ scher Emission und Feldemission zu gewährleisten. Die Anode 24 weist eine kreiszylindrische Grundform mit einem kegelstumpfartigen Endabschnitt auf. Eine der Kathode 22 gegenüber liegende Stirnseite dieses Kegelstumpfes ist dabei planar ausgebildet. Die großvolumige Anodenform un¬ terstützt dabei eine Entwärmung der Anode 24 durch thermische Abstrahlung, Wärmeleitung oder freie Konvektion des Entladungsmediums. Beide Elektroden 22, 24 sind über Stromdurchführungen, die als Elektrodenstäbe 26 und 28 ausgebildet sind, mit Strom versorgt. Die Elektrodenstäbe 26, 28 und die Elektroden 22, 24 bestehen aus reinem Wolfram. Die Elektrodenstäbe 26, 28 sind koaxial in den Lampenschäften 4, 6 angeordnet und in jeweils einer „Disc-Seal" 18, 20, die ebenfalls aus Quarzglas besteht, gleitend gelagert. Die „Disc-Seal" 18, 20 ermöglicht zum Einen eine Zentrierung der Elektrodenstäbe 26, 28 in den Lampenschäften 4, 6 und zum Anderen temperaturbedingte Längenänderungen der Elektrodenstäbe 26, 28. Die „Disc- Seal" 18, 20 ist über eine Feder 30, 32 gegen eine entla- dungsgefäßseitige Verjüngung 34, 36 des Lampengefäßes ge¬ drückt. Über sie sind die Nebenräume 14, 16 vom Entla¬ dungsraum 12 abgetrennt, wobei zwischen der „Disc-Seal" 18, 20 und der Verjüngung 34, 36 ein gasdurchlässiger Spalt ausgebildet ist. Bei der Befüllung wurden in das Lampengefäß erfindungsge¬ mäß 6mg Wolframoxychlorid WO2CI2, was 1,5mg Chlor ent¬ spricht, zugegeben, um einen Chlor-Kreisprozess zu reali¬ sieren .
Das dem Entladungsmedium beigemischte WO2CI2 reagiert da¬ bei mit dem abgedampften oder im Lampengefäß 2, 4, 6 niedergeschlagenen Wolfram. Durch freie Konvektion des Entladungsmediums im Lampengefäß 2, 4, 6 wird die entstande¬ ne Wolframchlorverbindung zu den Elektroden 22, 24 zurücktransportiert. Beim Kontakt mit den heißen Stellen der Elektroden 22, 24 erfolgt eine Aufspaltung der Verbindung in einen festen Niederschlag des Wolframs an den Elektroden 22, 24 und in die gasförmige Chlorverbindung. Somit wird eine Schwärzung des Lampengefäßes 2, 4, 6 ver- hindert oder abgebaut und Wolfram an die Elektroden 22, 24 zurückgeführt.
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektroden 22, 24 und die Elektrodenstäbe 26, 28 aus teu- rem Wolfram gebildet sind, ist es vorteilhaft, aus¬ schließlich thermisch sehr hoch belastete meist stirnseitige Abschnitte der Elektroden 22, 24, an denen der Ent- ladungsbogen ansetzt, aus Wolfram auszubilden. Die restlichen Abschnitte der Elektrodenstäbe 26, 28 und ther- misch geringer belastete Abschnitte der Elektroden 22, 24, können aus einem alternativen ausreichend thermisch stabilen aber günstigeren Leitermaterial gebildet sein.

Claims

Ansprüche
1. Kurzbogen-Entladungslampe mit einem Lampengefäß (2, 4, 6), das mit einem Entladungsmedium befüllt ist, das ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch enthält, wobei das Lampengefäß (2, 4, 6) einen Entladungsraum (12) und einen Nebenraum (14, 16) aufweist, die mit¬ einander in Gasverbindung stehen, und wobei im Entladungsraum (12) zwei Elektroden (22, 24) angeordnet sind, von denen eine Elektrode (22, 24) an einem End¬ abschnitt eines Elektrodenstabes (26, 28) angeordnet ist, und wobei ein Temperaturminimum im Nebenraum
(14, 16) kleiner als ein Temperaturminimum im Entladungsraum (12) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsmedium elementares Chlor oder eine Chlorverbindung enthält.
2. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei das Temperaturminimum im Nebenraum (14, 16) in einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand zwischen 150°C und 450°C liegt.
3. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenstab (26, 28) abschnittsweise oder ganz von einem Lampenschaft (4, 6) umfasst ist.
Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 3, wobei der Nebenraum (14, 16) im Lampenschaft (4, 6) ausgebildet ist .
5. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die Chlorverbindung ein Chlorid oder Oxychlorid oder Wolframchlorid oder Wolframoxychlorid ist.
6. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei das Edelgas Argon, Krypton oder Xenon ist oder wobei das
Edelgasgemisch Argon, Krypton oder Xenon enthält.
7. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei eine Konzentration des Chlors oder der Chlorverbindung im Entladungsmedium zwischen 50 und 5000 ppm liegt.
8. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, mit einer Leistungsaufnahme, die größer als 0,5kW ist.
9. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, die als Hochdruck- oder Höchstdruck-Entladungslampe ausgebil¬ det ist.
10. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, die mit Gleichstrom oder mit gepulstem Gleichstrom versorgbar ist .
11. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1 für einen Einsatz in Projektoren oder Kinoprojektoren.
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