WO2012022604A1 - Gleichstrom-entladungslampe mit asymmetrischem kolben - Google Patents

Gleichstrom-entladungslampe mit asymmetrischem kolben Download PDF

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Wolfgang Seitz
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    • 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 present invention relates to a direct current discharge lamp with an asymmetrical piston and insbesonde ⁇ re a direct current discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • DC discharge lamps according to the present invention are generally thick-walled with a gas such as xenon-filled quartz glass bulb, in which two massive electrodes are preferably melted from tungsten.
  • Such DC discharge lamps must be ignited with a high voltage pulse of up to 50 kV, since in the cold state, a non-conductive gas line between the electrodes. Once ignited is produced between the electrodes of the discharge lamp Ent ⁇ an ionized arc, which is maintained by the continuous supply of a smoothed direct current. This also results in the Be ⁇ drawing "DC discharge lamp" as a general generic term.
  • DC discharge lamps form a luminous center of only a few millimeters in size, with the point of greatest luminance in principle lying directly at the cathode.
  • Such lamp types are therefore also referred to as "short arc lamps”.
  • EP 1 104 009 A1 a generic DC ⁇ current discharge lamp is known consisting of an asym metrical ⁇ flask in which a pair of electrodes is housed.
  • the piston in this case consists of a spherical half shell, which merges into an elliptical shell portion, whereby a kind of egg shape is formed.
  • the hemispherical-shaped piston portion ⁇ is the cathode and the anode housed in the elliptic ⁇ rule piston portion, which are spaced from ⁇ each other to form the ionized arc aforementioned therebetween.
  • a decisive criterion for the quality of such a DC discharge lamp is the light intensity distribution of the DC discharge lamp.
  • care must be taken here to ensure that the lamp has an adequate service life, ie, for example, that the piston can not be selected to be arbitrarily small, which would result in too high a load on the piston wall.
  • the object of the present invention is to develop a DC discharge lamp of this type so that an increased light output can be achieved.
  • This object is achieved by a DC discharge lamp having the features according to the patent claim 1.
  • Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the cathode within the ball ⁇ half-shell is arranged so that the tip is in a range between 0 and 2 mm, where 0 is the center and the positive Millimeteran ⁇ task the axial distance to the center of the ball half shell in the direction of (into the) sphere half shell concerns.
  • the cathode tip is between 0.5 mm and 1 mm axial distance to the center of the spherical half-shell and more preferably at about 0.8 mm Axial ⁇ distance (into the ball half-shell into account).
  • FIG. 1a and 1b show a principal longitudinal section through a direct-current discharge lamp according to a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a diagram showing the relationship between the cathode position relative to the center of the sphere half-shell and the light intensity (brightness).
  • the DC discharge lamp 1 consists of a bulb 2, preferably of thick-walled quartz glass. glass, in which an electrode system 4 is used for generating an arc and is melted therein.
  • the lamp is equipped with an additional reflector system (not shown), as is well known in the art.
  • the electrode system 4 consisting of an anode 6 and a cathode 8, has two axially spaced electrical connection bases 10, 12 which extend on opposite ends of the piston 2 in alignment with each other and to which the anode 6 and the cathode 8 are respectively coupled.
  • the connection base 10, 12 may be at least from ⁇ is cut, be coated (in the middle section) with a elekt ⁇ driven insulating sheath 14 is preferably made of quartz glass or a ceramic, which is adjacent advantageously close to the piston 2, preferably by ⁇ poured.
  • the piston 2 has a longitudinally asymmetrical Ges ⁇ talt, which is defined by a spherical half-shell 2a, to which a differently shaped shell, preferably an ellipse half-shell 2b substantially seamlessly ⁇ closes.
  • a spherical half-shell 2a to which a differently shaped shell, preferably an ellipse half-shell 2b substantially seamlessly ⁇ closes.
  • the anode 6 of the electrode system 4 such that the electrodes 6, 8 is a distance in the axial direction of the ellipse half-shell 2b is formed between the at ⁇ .
  • Fig. La shows the cathode 8 in longitudinal section a conical shape with a pronounced cone ⁇ tip 8a and the anode 6 a truncated cone 6a, which is the salient conical tip 8a of the cathode 8 is substantially aligned.
  • the ball half-shell 2a and the ellipses differ senrenzschale 2b is a theo ⁇ retical cutting line T between the two piston parts 2a, drawn, 2b on which also the center Z of the spherical half-shell 2a, that is, the center of radius Z of the ball ⁇ half-shell 2a is located.
  • the electrode system 4 is being ⁇ oriented within the piston 2 that the cone tip 8a of the cathode 8 to Radi ⁇ usstoffddling Z of the hemisphere 2 as a component of the piston 2 in the direction away from the ellipse half-shell 2b, as another component the piston 2 is displaced a distance agreed procedure ⁇ S (retained).
  • OF INVENTION ⁇ dung according to this route lies in a range between 0 and 2 mm, and is marked with 0 is the center Z (radius center point of the ball shell) and the positive millimeters indication of the specified range of values the axia ⁇ len distance between the cathode tip 8a to the center Z of the Ku ⁇ gelchale 2a in the direction of the ball half shell 2a (away from the ellipse half shell 2b) (whereby the lighting center is now substantially in the center Z of the ball half shell 2a).
  • the luminous efficacy (brightness) changes when the cathode tip 8a is displaced in the negative region, i. a shift to the center Z in the direction of the ellipse half shell 2b only insignificantly or not at all.
  • the luminous efficacy (brightness) increases exponentially until it reaches a maximum at a certain positive distance of preferably 0.7-1 mm.
  • the brightness could be increased from approx. 77500 Im (lumen) at approx. 0 mm to 81500 Im at approx. 0.8 mm distance to the center Z, which corresponds to an increase of up to 5%.
  • a DC discharge lamp with a longitudinally asymmetrical piston 2 consisting of a spherical half-shell 2a and a subsequent further half-shell 2b with a ner to the spherical half-shell 2a different shape preferably ellipse shape, and an electrode system 4 consisting of an anode 6 and a axially spaced therefrom cathode 8, which sits in the ball half-shell 2a and is formed with an electrode tip 8a, which faces the anode 6.
  • the electrode system 4 is inside the piston 2 so aligned and placed ⁇ that the electrode tip is spaced 8a to a radius center Z of the ball shell 2a in Rich ⁇ processing to the spherical half-shell 2b by a predetermined distance.

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Abstract

Offenbart ist eine Gleichstrom-Entladungslampe mit einem im Längsschnitt asymmetrischen Kolben (2) bestehend aus einer Kugelhalbschale (2a) und einer daran sich anschließenden weiteren Halbschale (2b) mit einer zur Kugelhalbschale (2a) unterschiedlichen Form, und einem Elektrodensystem (4) bestehend aus einer Anode (6) und einer axial hierzu beabstandeten Kathode (8), die in der Kugelhalbschale (2a) sitzt und mit einer Elektrodenspitze (8a) ausgebildet ist, die zur Anode (6) hin zugewandt ist. Erfindungsgemäß ist das Elektrodensystem (4) innerhalb des Kolbens (2) so ausgerichtet und platziert, dass die Elektrodenspitze (8a) zu einem Radiusmittelpunkt (Z) der Kugelhalbschale (2a) in Richtung zur Kugelhalbschale (2b) um eine bestimmte Strecke beabstandet ist.

Description

Beschreibung
Gleichstrom-Entladungslampe mit asymmetrischem Kolben
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstrom- Entladungslampe mit asymmetrischem Kolben und insbesonde¬ re eine Gleichstrom-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Gleichstrom-Entladungslampen gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen in der Regel aus dickwandigen mit einem Gas wie beispielsweise Xenon gefüllten Quarzglaskolben, in dem zwei massive Elektroden vorzugsweise aus Wolfram eingeschmolzen sind. Derartige Gleichstrom-Entladungs- lampen müssen mit einem Hochspannungsimpuls von bis zu 50 kV gezündet werden, da sich im kalten Zustand eine nicht leitende Gasstrecke zwischen den Elektroden befindet. Einmal gezündet entsteht zwischen den Elektroden der Ent¬ ladungslampe ein ionisierter Lichtbogen, der durch die kontinuierliche Zufuhr eines geglätteten Gleichstroms aufrecht erhalten wird. Hieraus resultiert auch die Be¬ zeichnung „Gleichstrom-Entladungslampe" als allgemeiner Gattungsbegriff .
Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Lebensdauer der Lampe sowie die Homogenität des abgegebenen Lichts zunehmen, je besser die Betriebsspannung beispielsweise durch ein Vorschaltgerät geglättet wird. Der während des Betriebs innerhalb des Quarzglaskolbens vorherrschende hohe Druck (von bis zu 70 bar) und die hohen Temperaturen (ca. 6000 K) führen dazu, dass der Betrieb einer solchen Lampe (beispielhafte Anwendung im digitalen Kino) mit ei- nem relativ großen technischen Aufwand verbunden ist. Die meisten Lampentypen dieser Gattung benötigen deshalb nämlich eine Kühlvorrichtung sowie ein explosionssicheres Gehäuse. Abhängig vom Verwendungszweck werden gattungsge- mäße Gleichstrom-Entladungslampen häufig mit dotiertem beziehungsweise beschichtetem Quarzglas hergestellt, um die Ultraviolettstrahlung des erzeugten Strahlungsspektrums zurückzuhalten.
Grundsätzlich bilden Gleichstrom-Entladungslampen ein LeuchtZentrum von nur wenigen Millimetern Ausdehnung, wobei der Punkt der größten Leuchtdichte prinzipiell direkt an der Kathode liegt. Solche Lampentypen werden daher auch als „Kurzbogenlampen" bezeichnet.
Stand der Technik
Als ein relevanter Stand der Technik, von der die vorlie- gende Erfindung ausgeht, sei unter anderem die EP 1 104 009 AI genannt. Hieraus ist eine gattungsgemäße Gleich¬ strom-Entladungslampe bekannt bestehend aus einem asym¬ metrischen Kolben, in dem ein Elektrodenpaar untergebracht ist. Der Kolben besteht hierbei aus einer Kugel- halbschale, die in einen elliptischen Schalenabschnitt übergeht, wodurch eine Art Eiform entsteht. Im halbkugel¬ förmigen Kolbenabschnitt ist die Kathode und im ellipti¬ schen Kolbenabschnitt die Anode untergebracht, die von¬ einander beabstandet sind, um den vorstehend erwähnten ionisierten Lichtbogen zwischen sich auszubilden.
Ein für die Qualität einer solchen Gleichstrom- Entladungslampe entscheidendes Leistungskriterium ist die Lichtstärkeverteilung der Gleichstrom-Entladungslampe. Als Randbedingung ist hierbei darauf zu achten ist, dass eine angemessene Lebensdauer der Lampe gewährleistet bleibt, d.h. beispielsweise der Kolben nicht beliebig klein gewählt werden kann, was nämlich eine zu hohe Be- lastung der Kolbenwand zur Folge hätte.
Darstellung der Erfindung
Angesichts vorstehend beschriebener Situation besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Gleichstrom-Entladungslampe dieser Gattung so weiterzubilden, dass eine erhöhte Lichtausbeute erzielbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine Gleichstrom-Entladungslampe mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wurde festgestellt, dass im Fall einer asymmetrischen Kolbenform, bestehend aus einer Halbkugelschale und einer daran sich anschließenden, anders gestalteten Schale, wie insbesondere eine Ellipsenhalbschale, die Lichtverluste einer Gleichstrom-Entladungslampe in Abhängigkeit von der Position eines Elektrodensystems innerhalb des Kolbens, vorzugsweise bestehend aus einem Quarzglas, insbesondere im Fall eines zusätzlich angeordneten Reflektorsystems, minimierbar sind. Erfindungsgemäß ist daher die Anode in¬ nerhalb der anders gestalteten Schale, insbesondere El¬ lipsenhalbschale und die Kathode in einem vorbestimmten Axialabstand zur Anode (zur Ausbildung eines Lichtbogens) innerhalb der Kugelhalbschale platziert. Da das meiste Licht der Gleichstrom-Entladungslampe aus einem kleinen Bereich vor der Spitze der Kathode kommt, liegt dieser Bereich erfindungsgemäß in der Region um das Zentrum (Radiusmittelpunkt) der Kugelhalbschale.
Vorzugsweise ist hierfür die Kathode innerhalb der Kugel¬ halbschale so angeordnet, dass sich deren Spitze in einem Bereich zwischen 0 und 2 mm befindet, wobei mit 0 das Zentrum gekennzeichnet ist und die positive Millimeteran¬ gabe den axialen Abstand zum Zentrum der Kugelhalbschale in Richtung zur (in die) Kugelhalbschale betrifft.
Weiter vorzugsweise befindet sich die Kathodenspitze zwi- sehen 0.5 mm und 1 mm Axialabstand zum Zentrum der Kugelhalbschale und weiter vorzugsweise bei ca. 0.8 mm Axial¬ abstand (in die Kugelhalbschale hineinversetzt) .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleiten- den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. la und lb einen prinzipiellen Längsschnitt durch eine Gleichstrom-Entladungslampe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 2 ein Diagram zur Darstellung der Beziehung zwischen der Kathodenposition relativ zum Zentrum der Kugelhalbschale und der Lichtstärke (Helligkeit) .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Gemäß Fig. la, lb besteht die Gleichstrom-Entladungslampe 1 aus einem Kolben 2 vorzugsweise aus dickwandigem Quarz- glas, in den ein Elektrodensystem 4 zur Erzeugung eines Lichtbogens eingesetzt und darin eingeschmolzen ist. Die Lampe ist mit einem zusätzlichen Reflektorsystem (nicht weiter dargestellt) ausgerüstet, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Das Elektrodensystem 4, bestehend aus einer Anode 6 und einer Kathode 8, hat zwei axial beabstandete elektrische Anschlusssockel 10, 12, die auf sich gegenüberliegenden Enden des Kolbens 2 fluchtend zueinander erstrecken und an die jeweils die Anode 6 und die Kathode 8 gekoppelt sind. Die Anschlusssockel 10, 12 können zumindest ab¬ schnittsweise (in deren Mittenabschnitt) mit einer elekt¬ risch isolierenden Hülle 14 vorzugsweise aus Quarzglas oder einer Keramik ummantelt sein, das in vorteilhafter Weise dicht an den Kolben 2 angrenzt, vorzugsweise ange¬ gossen ist.
Der Kolben 2 hat eine im Längschnitt asymmetrische Ges¬ talt, die durch eine Kugelhalbschale 2a definiert wird, an die sich eine anders gestaltete Schale, vorzugsweise eine Ellipsenhalbschale 2b im Wesentlichen nahtlos an¬ schließt. Innerhalb der Kugelhalbschale 2a sitzt die Ka¬ thode 8 und innerhalb der Ellipsenhalbschale 2b die Anode 6 des Elektrodensystems 4, derart, dass zwischen den bei¬ den Elektroden 6, 8 ein Abstand in Achsrichtung der El- lipsenhalbschale 2b entsteht.
Wie aus der Fig. la zu entnehmen ist, zeigt die Kathode 8 im Längsschnitt eine Kegelform mit ausgeprägter Kegel¬ spitze 8a und die Annode 6 einen Kegelstumpf 6a, die der ausgeprägten Kegelspitze 8a der Kathode 8 im Wesentlichen fluchtend zugewandt ist. Um in der Fig. la die Kugelhalbschale 2a und die Ellip- senhalbschale 2b unterscheiden zu können, ist eine theo¬ retische Schnittlinie T zwischen den beiden Kolbenteilen 2a, 2b eingezeichnet, auf der auch das Zentrum Z der Ku- gelhalbschale 2a, d.h. der Radiusmittelpunkt Z der Kugel¬ halbschale 2a liegt.
Die kegelförmige Kathode 8, welche in der Halbkugelschale 2a sitzt, ist dabei so platziert, dass deren Kegelspitze 8a der Kathode 8 hinter dem Zentrum Z der Halbkugel 2a in Richtung zur Kugelhalbschale 2a axial zurückbleibt (zu¬ rückversetzt ist) . Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das Elektrodensystem 4 innerhalb des Kolbens 2 so ausge¬ richtet, dass die Kegelspitze 8a der Kathode 8 zum Radi¬ usmittelpunkt Z der Halbkugel 2a als ein Bestandteil des Kolbens 2 in Richtung weg von der Ellipsenhalbschale 2b als ein anderer Bestandteil des Kolbens 2 um eine vorbe¬ stimmte Strecke S verlagert (zurückgehalten) ist. Erfin¬ dungsgemäß liegt diese Strecke in einem Bereich zwischen 0 und 2 mm, wobei mit 0 das Zentrum Z (Radiusmittelpunkt der Kugelhalbschale) gekennzeichnet ist und die positive Millimeterangabe des angegebenen Wertebereichs den axia¬ len Abstand der Kathodenspitze 8a zum Zentrum Z der Ku¬ gelhalbschale 2a in Richtung zur (in die) Kugelhalbschale 2a (weg von der Ellipsenhalbschale 2b) betrifft (wodurch sich das LeuchtZentrum nunmehr im wesentlichen im Zentrum Z der Kugelhalbschale 2a befindet) . Es hat sich ferner herausgestellt, dass sich eine maximale Lichtausbeute (Helligkeit) dann ergibt, wenn sich die Kathodenspitze 8a zwischen 0.5 mm und 1 mm Axialabstand zum Zentrum Z der Kugelhalbschale 2a und vorzugsweise bei ca. 0.8 mm Axial- abstand zum Zentrum Z (in Richtung Kugelhalbschale 2a verschoben) befindet.
Wie aus dem Diagram gemäß der Fig. 2 zu entnehmen ist, ändert sich die Lichtausbeute (Helligkeit) bei einer Ver- Schiebung der Kathodenspitze 8a im Minusbereich, d.h. einer Verschiebung zum Zentrum Z in Richtung zur Ellipsen- halbschale 2b nur unwesentlich oder gar nicht. Bei einer Verschiebung der Kathodenspitze 8a ausgehend vom Zentrum Z in Richtung zur Kugelhalbschale 2a nimmt jedoch die Lichtausbeute (Helligkeit) exponentiell zu, bis sie bei einem bestimmten positiven Abstand von vorzugsweise 0.7- lmm ein Maximum annimmt. Im vorliegenden Beispiel konnte die Helligkeit so von ca. 77500 Im (Lumen) bei etwa 0 mm auf 81500 Im bei ca. 0.8 mm Abstand zum Zentrum Z gestei- gert werden, was einem Zuwachs von bis zu 5% entspricht.
Offenbart ist zusammenfassend eine Gleichstrom- Entladungslampe mit einem im Längsschnitt asymmetrischen Kolben 2 bestehend aus einer Kugelhalbschale 2a und einer daran sich anschließenden weiteren Halbschale 2b mit ei- ner zur Kugelhalbschale 2a unterschiedlichen Form vorzugsweise Ellipsenform, und einem Elektrodensystem 4 bestehend aus einer Anode 6 und einer axial hierzu beabstandeten Kathode 8, die in der Kugelhalbschale 2a sitzt und mit einer Elektrodenspitze 8a ausgebildet ist, die zur Anode 6 hin zugewandt ist. Erfindungsgemäß ist das Elektrodensystem 4 innerhalb des Kolbens 2 so ausge¬ richtet und platziert, dass die Elektrodenspitze 8a zu einem Radiusmittelpunkt Z der Kugelhalbschale 2a in Rich¬ tung zur Kugelhalbschale 2b um eine bestimmte Strecke beabstandet ist.

Claims

Ansprüche
Gleichstrom-Entladungslampe mit einem im Längsschnitt asymmetrischen Kolben (2), bestehend aus einer Kugelhalbschale (2a) und einer daran sich anschließenden weiteren Halbschale (2b) mit einer zur Kugelhalbscha¬ le (2a) unterschiedlichen Form, und einem Elektrodensystem (4), bestehend aus einer Anode (6) und einer axial hierzu beabstandeten Kathode (8), die in der Kugelhalbschale (2a) sitzt und mit einer Kegelspitze (8a) ausgebildet ist, die zur Anode (6) hin zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensys¬ tem (4) innerhalb des Kolbens
(2) so ausgerichtet und platziert ist, dass die Kathodenspitze (8a) zu einem Radiusmittelpunkt (Z) der Kugelhalbschale (2a) in Richtung zur Kugelhalbschale (2b) um eine bestimmte Strecke (S) beabstandet ist.
Gleichstrom-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Strecke (S) sich in einem Bereich zwischen 0 und 2 mm befindet, wobei mit 0 der Radiusmittelpunkt (Z) definiert ist und die positive Millimeterangabe den axialen Abstand zum Radiusmittelpunkt (Z) in Richtung zur Kugelhalb¬ schale betrifft.
3. Gleichstrom-Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Strecke (S) zwischen 0.5 mm und 1 mm Axialabstand zum Radius¬ mittelpunkt (Z) der Kugelhalbschale (2a) liegt und vorzugsweise ca. 0.8 mm Axialabstand beträgt.
4. Gleichstrom-Entladungslampe nach einem der vorstehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wei¬ tere Halbschale (2b) eine Ellipsenform aufweist.
Gleichstrom-Entladungslampe nach einem der vorstehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ka¬ thode (8) eine Kegelform mit ausgeprägter Kegelspitze (8a) hat und die Anode (6) zumindest abschnittsweise einen Kegelstumpf (6a) ausbildet, wobei die Kegel¬ spitzen (8a) und der Kegelstumpf (6a) fluchtend sowie mit einem bestimmten Zwischenabstand einander zuge¬ wandt sind.
6. Gleichstrom-Entladungslampe nach einem der vorstehen- den Ansprüche als Xenon-Kurzbogenlampe.
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