-
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Entladungslampe wie eine Xenonlampe, eine Quecksilber-Hochdrucklampe oder dergleichen. Die Xenonlampe wird beispielsweise bei einem Projektionsapparat oder dergleichen unter Verwendung der DLP®-Technik (DLP = digital light processing) als Lichtquelle verwendet. Die Quecksilber-Hochdrucklampe wird beispielsweise als Lichtquelle bei einer Halbleiter-Belichtungsvorrichtung, einer Flüssigkristall-Belichtungsvorrichtung, einer Vorrichtung zur Belichtung einer gedruckten Platine oder dergleichen verwendet.
-
Herkömmlicherweise ist als Hochdruck-Entladungslampe eine Lampe mit der beispielsweise in 3 gezeigten Anordnung bekannt. Diese Hochdruck-Entladungslampe 10 besteht aus einem aus Quarzglas bestehenden Kolben, welcher aus einem Leuchtröhrenteil 11 sowie hermetisch abschließenden Röhrenteilen 12 besteht. Ferner besteht die Hochdruck-Entladungslampe 10 aus einer Kathode 13 sowie einer Anode 14, welche innerhalb des Leuchtröhrenteils 11 einander gegenüberliegend angeordnet sind.
-
Ein Elektrodenträger 131 aus Wolfram stützt die Kathode 13 ab und ein Elektrodenträger 141 aus Wolfram die Anode 14. Die Elektrodenträger 131 und 141 werden jeweils in einen Haltezylinder 16 eingesteckt und gehalten, welcher innerhalb des hermetisch abschließenden Röhrenteils 12 fest angeordnet, zylindrisch ist, aus Quarzglas besteht und innerhalb dessen eine in der Achsrichtung verlaufende Durchgangsöffnung vorhanden ist. Die Elektrodenträger 131 und 141 sind zugleich mittels eines gestuften Glases 15 im hermetisch abschließenden Röhrenteil 12 abgedichtet, erstrecken sich vom äußeren Ende des Kolbens nach außen, stehen über diesen über und fungieren auch als Außenanschlussstifte, welche der Kathode 13 und der Anode 14 jeweils eine Leistung zuführen.
-
Bei der Hochdruck-Entladungslampe 10 mit der vorstehend beschriebenen Anordnung besteht die Kathode 13, wie in 4 gezeigt, aus einem zylindrischen Rumpfteil 132 sowie einem kegelstumpfförmigen Kegelteil 134, welcher an einem Ende dieses Rumpfteils 132 einteilig mit diesem angeordnet ist. Der Durchmesser entlang einer Achse L dieses Rumpfteils 132 nach vorne (nach links in der Zeichnung) verkleinert sich schrittweise, und an dessen Spitze ist eine runde, flache Spitzenfläche 133 gebildet. Dieser Kegelteil 134 besteht aus thoriertem Wolfram, bei welchem Wolfram als Metall mit einem hohen Schmelzpunkt mit einem Elektronen-Emissionsmaterial aus Thoriumdioxid (ThO2) dotiert wurde. Die Anode 14 besteht aus reinem Wolfram.
-
In einer derartigen Kathode 13 wirkt in ihrem Kegelteil 134 Thorium, welches durch Reduktion des eindotierten Thoriumdioxides durch das Wolfram erzeugt wird, als Emitter, was zu einer stabilen Emission der Elektronen führt. Als Folge davon wird die Bildung eines Entladungs-Lichtbogens vereinfacht.
-
Für die Reduktion des Thoriumdioxides durch Wolfram ist jedoch eine sehr hohe Temperatur von größer/gleich ca. 2500°C erforderlich. In einem normalen Verwendungszustand ist es in einem Bereich außerhalb des spitzenseitigen Bereiches 136, welcher zu dem Entladungs-Lichtbogen im Kegelteil 134 benachbart ist – das heißt, in einem Bereich 135 auf der Basisseite – schwierig, einen derartigen Hochtemperaturzustand zu erhalten. Als Folge davon schreitet in diesem Bereich 135 auf der Basisseite die Reduktionsreaktion des Thoriumdioxides durch Wolfram nicht fort. Man kann deshalb Thorium, welches als Emitter wirkt, nicht effektiv erzeugen.
-
Auf der Oberfläche des Kegelteils 134 ist das Verhältnis der Reduktion zu Thorium zur Gesamtmenge des dotierten Thoriumdioxides – das heißt, das Reduktionsverhältnis des Thoriumdioxides – niedrig, wie vorstehend beschrieben wurde. Man kann deshalb Thoriumdioxid nicht mit einem hohen Ausnutzungsgrad nutzen. Als Folge davon, dass die Absolutmenge des Thoriums, welches tatsächlich zur Bildung des Entladungs-Lichtbogens beiträgt, sich verkleinert, hat man deshalb den Nachteil, dass man bei der Hochdruck-Entladungslampe 10 keine ausreichend lange Betriebs-Lebensdauer erhalten kann.
-
Um den vorstehend beschriebenen Nachteil zu beseitigen, wurde vorgeschlagen, dass man im Kegelteil
134 die Oberfläche des Bereiches
135 auf der Basisseite einer Karbonisierungsbehandlung unterzieht und dass man in diesem Bereich
135 auf der Basisseite Oberflächenschichten aus Wolframcarbid(W
2C)-Schichten bildet (beispielsweise Japanische Offenlegungsschrift
JP 2000-21 349 A ).
-
Durch eine derartige Anordnung wird es möglich, in einem relativ niedrigen Temperaturbereich von größer/gleich ca. 1800°C des Wolframcarbids Thoriumdioxid zu reduzieren, was auch in einem normalen Verwendungszustand zu einer Realisierung einer Temperatur führt, welche für die Reduktion des Thoriumdioxids in einem breiten Bereich auf der Oberfläche des Kegelteils 134 der Kathode 13 erforderlich ist. Dadurch erhöht sich der Reduktionsgrad des Thoriumdioxides, und eine große Menge Thorium trägt zur Bildung des Entladungslichtbogens tatsächlich bei. Es wird deshalb möglich, die Lebensdauer der Hochdruck-Entladungslampe 10 zu verlängern.
-
In einem normalen Verwendungszustand ist jedoch auch im Kegelbereich 134, auf dessen Oberfläche die Wolframcarbidschichten gebildet sind, im Bereich 135 auf der Basisseite ein Bereich vorhanden, in welchem keine ausreichend hohe Temperatur erreicht wird. Man kann deshalb keinen ausreichend hohen Reduktionsgrad des Thoriumdioxids realisieren. Es wurde also herausgefunden, dass man den Nachteil hat, dass bei dieser Hochdruck-Entadungslampe 10 die erwartete Betriebs-Lebensdauer nicht erreicht werden kann.
-
Aus
DE 197 49 908 A1 ,
US 2002/0074943 A1 und
EP 1 251 548 A1 sind Elektroden für Entladungslampen bekannt, in denen der Elektrodenkörper mit in Umfangsrichtung verlaufenden rillenförmigen Vertiefungen versehen ist.
-
Die Erfindung wurde gemacht, um den vorstehend beschriebenen Nachteil beim Stand der Technik zu beseitigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochdruck-Entladungslampe mit einer langen Betriebs-Lebensdauer anzugeben, bei welcher auch in einem normalen Verwendungszustand ein hoher Reduktionsgrad des Thoriumdioxids im Oberflächenbereich des Kegelteils der Kathode erzielt wird.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Im einzelnen wird die Aufgabe bei einer Hochdruck-Entladungslampe, bei welcher im Kolben eine Anode und eine Kathode gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gelöst, dass die Kathode einen zylindrischen Rumpfteil sowie einen Kegelteil aufweist, welcher eine Form aufweist, welche der Umfangsfläche eines virtuellen Kegels entspricht, dessen Durchmesser sich von einem Ende dieses Rumpfteils ausgehend nach vorne verkleinert und welcher mit Thoriumdioxid (ThO2) dotiert ist, dass ferner der Kegelteil einen Kegelbasisteil, welcher an den vorstehend beschriebenen Rumpfteil angrenzt und in welchem Oberflächenschichten aus Wolframcarbid gebildet sind, sowie einen Kegelspitzenbereich aufweist, der sich von diesem Kegelbasisteil ausgehend nach vorne erstreckt, und dass in dem Kegelbasisteil Lichtaufnahmeflächen-Bereiche gebildet sind, welche bezüglich der Achse des vorstehend beschriebenen Rumpfteils mit einem größeren Winkel ansteigen als ein Neigungswinkel θ1 bezüglich des virtuellen Kegels und welche dem zwischen der Kathode und der Anode gebildeten Entladungslichtbogen entgegengesetzt sind.
-
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß dadurch vorteilhaft gelöst, dass bei der vorstehend beschriebenen Anordnung der Kegelbasisteil eine stufenartige Umfangsfläche aufweist und dass durch die Schrittflächen dieser Stufen Lichtaufnahmeflächen-Bereiche gebildet sind, welche sich zu der Achse des vorstehend beschriebenen Rumpfteils senkrecht erstrecken.
-
Durch die erfindungsgemäße Hochdruck-Entladungslampe nehmen durch die Maßnahme, dass der Kegelbasisteil im Kegelbereich der Kathode mit einem größeren Winkel θ2 als der Neigungswinkel θ1 bezüglich dieses Kegelteils ansteigt und dem Entladungs-Lichtbogen entgegengestellt ist und dass der Kegelbasisteil Lichtaufnahmeflächen-Bereiche aufweist, welche das Strahlungslicht aus diesem Entladungs-Lichtbogen aufnehmen, diese Lichtaufnahmeflächen-Bereiche die Strahlungswärme vom Entladungs-Lichtbogen auf. Als Folge davon wird die Temperatur dieses Kegelbasisteils hoch, was zu einer zuverlässigen Realisierung eines hohen Reduktionsgrades des Thoriumdioxids im gesamten Kegelteil führt. Es wird deshalb möglich, eine erwartete Menge Thorium für eine stabile Bildung des Entladungs-Lichtbogens zu verwenden. Als Folge davon wird bei einer Hochdruck-Entladungslampe eine erwartete lange Betriebs-Lebensdauer mit Sicherheit erhalten.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels der Anordnung der Kathode einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe;
-
2 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Beispiels der Anordnung der Kathode einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe;
-
3 eine schematische Querschnittdarstellung, welche ein Beispiel der Anordnung einer Hochdruck-Entladungslampe anhand eines Querschnitts entlang der Röhrenachse zeigt, und
-
4 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels der Anordnung der Kathode einer herkömmlichen Hochdruck-Entladungslampe.
-
Die erfindungsgemäße Hochdruck-Entladungslampe weist eine Kathode 20 mit der in 1 gezeigten Anordnung auf. Außer diesem Sachverhalt kann sie dieselbe Anordnung wie die Hochdruck-Entladungslampe 10 aufweisen, welche beispielsweise in 3 gezeigt ist. Hierbei kann die erfindungsgemäße Hochdruck-Entladungslampe statt der in 3 gezeigten Anordnung eine hermetisch abschließende Anordnung unter Verwendung einer Metallfolie (nicht in der Zeichnung dargestellt) aufweisen.
-
In 1 ist bei der Kathode 20 ein zylindrischer Rumpfteil 21 einteilig mit einem Kegelteil 22 ausgebildet, dessen Durchmesser sich von einem Ende dieses Rumpfteils 21 ausgehend nach vorne (nach links in der Zeichnung) in der Richtung seiner Achse L schrittweise verkleinert und welcher eine Form aufweist, welche der Umfangsfläche eines virtuellen Kegels C mit einem Neigungswinkel θ1 entspricht. Das heißt, die äußeren, zur Kegelspitze weisenden Kanten der durch die schrittweise Änderung des Radius des Kegelteils gebildeten Stufen liegen auf dem Umfang des virtuellen Kegels mit dem Neigungswinkel θ1.
-
Der Kegelteil 22 weist einen Kegelbasisteil 221 sowie einen Kegelspitzenbereich 222 auf. Der Kegelbasisteil 221 besteht aus Schrittflächen S1 sowie stufenartigen Umfangsflächen S2. Die jeweilige Schrittfläche S1 steigt mit einem Winkel θ2 bezüglich der Achse L von 90° an und ist in Form eines ringförmigen Streifens bzw. Bandes ausgebildet, welches in Richtung auf die Kegelspitze hin aufgerichtet ist. Die jeweilige stufenartige Umfangsfläche S2 verläuft von einem Rand (der Kante) dieser Schrittfläche S1 ausgehend nach vorne parallel zur Achse L und bildet eine zylindrische Umfangsfläche. Der Kegelbasisteil 221 ist in der Weise stufenartig gebildet, dass ringförmige Eckrandbereiche, welche durch diese Schrittflächen S1 und die stufenartigen Umfangsflächen S2 gebildet sind, sich auf der Umfangsfläche des vorstehend beschriebenen virtuellen Kegels C entlang der Umfangsrichtung erstrecken. Der Kegelbasisteil 221 weist beispielsweise von einem Ende des Rumpfteils 21 ausgehend nach vorne eine gestufte Umfangsfläche auf, welche abwechselnd mit vier Schrittflächen S1 und vier stufenartigen Umfangsflächen S2 mit sich schrittweise verkleinernden Durchmessern versehen ist. Der Kegelspitzenbereich 222 weist eine Umfangsfläche auf, welche ich von diesem Kegelbasisteil 221 weiter nach vorne erstreckt und welche der Umfangsfläche des virtuellen Kegels C entspricht.
-
Ferner ist durch die jeweilige Schrittfläche S1 ein Lichtaufnahmeflächen-Bereich a gebildet, welcher dem Entladungs-Lichtbogen entgegengestellt ist. Hierbei weist diese Schrittfläche S1 (der Lichtaufnahmeflächen-Bereich a) eine Breite t in seiner Radialrichtung von 0,1 mm bis 1 mm auf.
-
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung soll man unter dem Begriff ”Neigungswinkel θ1” bezüglich des virtuellen Kegels C einen Neigungswinkel verstehen, bei dem die vorstehend beschriebene Achse L der Umfangsfläche dieses virtuellen Kegels C als Bezug bezeichnet wird, das heißt, einen Winkel, welcher zwischen der Umfangsfläche des Kegelspitzenbereichs 222 und der Achse L gebildet wird, wie in 1 gezeigt.
-
Unter dem Begriff ”ansteigender Winkel θ2” des Lichtaufnahmeflächen-Bereiches soll man einen Winkel einer Fläche, welche den Lichtaufnahmeflächen-Bereich bildet, bezüglich der Achse L verstehen, also einen Winkel, welcher zwischen einer die Schrittfläche S1, welche den Lichtaufnahmeflächen-Bereich a bildet, aufnehmenden Fläche und der Achse L gebildet wird, wie in 1 gezeigt.
-
Der Rumpfteil 21 und der Kegelteil 22 werden durch ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt gebildet, welches mit einem Elektronen-Emissionsmaterial dotiert wurde. Konkret werden sie durch thoriertes Wolfram gebildet, bei welchen ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt (Wolfram) mit einem Elektronen-Emissionsmaterial (Thoriumdioxid) dotiert ist.
-
Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Gehaltverhältnis des Thoriumdioxids im thorierten Wolfram, aus welchem die Kathode besteht, bei 1 Massen-% bis 4 Massen-% liegt.
-
Im Kegelbasisteil 221 ist eine Oberflächenschicht gebildet, welche aus Wolframcarbid besteht, das durch eine Karbonisierung gebildet wurde. Die Wolframcarbidschicht der Oberflächenschicht dieses Kegelbasisteils 221 dient dazu, Thoriumdioxid in einem relativ niedrigen Temperaturbereich von größer/gleich ca. 1800°C zu reduzieren.
-
Die Gesamtform der vorstehend beschriebenen Kathode 20 wird durch verschiedene Bedingungen wie die Form eines Reflektors, welcher bei einer Verwendung beispielsweise als Lichtquellenvorrichtung eingebaut wird, durch die Lebensdauer, welche für eine Hochdruck-Entladungslampe gefordert wird, durch den Wert des Eingangsstroms und dergleichen bestimmt. Konkret liegen der Neigungswinkel θ1 beispielsweise bei 30° bis 60°, der Durchmesser des Rumpfteils 21 beispielsweise bei 4 mm bis 12 mm und der Durchmesser der Spitzenfläche 223 beispielsweise bei 0,2 mm bis 0,6 mm.
-
In den Entladungsraum, welcher durch den Kolben abgegrenzt ist, sind Edelgase wie beispielsweise Argon, Xenon und dergleichen, beispielsweise in einem Bereich von 0,01 MPa bis 1 MPa, oder zusammen mit diesen Edelgasen Quecksilber, beispielsweise in einem Bereich von 1 mg/cm3 bis 100 mg/cm3, eingefüllt. Im Fall einer Einfüllung von Quecksilber in den Entladungsraum wird eine Hochdruck-Entladungslampe verwendet, welche nicht die in 3 gezeigte Anordnung, sondern eine hermetisch abschließende Anordnung unter Verwendung einer Metallfolie aufweist.
-
In der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe weist der Kegelbasisteil bei der Kathode Lichtaufnahmeflächen-Bereiche auf, welche mit einem größeren Winkel ansteigen als der Neigungswinkel des virtuellen Kegels bezüglich dieser Kathode und welche dem Entladungs-Lichtbogen entgegengestellt sind. Dadurch wird das Strahlungslicht aus dem Entladungslichtbogen von diesen Lichtaufnahmeflächen-Bereichen aufgenommen. Als Folge davon ist die Temperatur dieses Kegelbasisteils höher als im Fall ohne derartige Lichtaufnahmeflächen-Bereiche. Als Folge davon wird für die Reduktion des Thoriumdioxids durch Wolframcarbid mit Sicherheit eine ausreichend hohe Temperatur realisiert. Es wird deshalb möglich, Thorium, welches auf der Oberfläche des Kegelteils als Thoriumdioxid vorhanden ist, mit einem hohen Ausnutzungsgrad zur stabilen Bildung des Entladungslichtbogens zu nutzen. Als Folge davon wird die erwartet lange Betriebs-Lebensdauer entsprechend der Menge des dotierten Thoriumdioxides mit Sicherheit realisiert.
-
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung weist die Schrittfläche S1, welche den Lichtaufnahmeflächen-Bereich bildet, eine Breite t von größer/gleich 0,1 mm auf. Durch diese Maßnahme wird eine ausreichend große Fläche in diesem Lichtaufnahmeflächen-Bereich sichergestellt. Es wird ermöglicht, eine ausreichende Menge Strahlungswärme aufzunehmen. Als Folge davon wird in ausreichendem Maß und zugleich mit Sicherheit eine hohe Temperatur realisiert, welche für eine Reduktion des Thoriumdioxids durch Wolframcarbid benötigt wird.
-
Vorstehend wurde die Ausführung der Erfindung konkret beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführung beschränkt, sondern man kann verschiedene Änderungen hinzufügen.
-
Die erfindungsgemäße Hochdruck-Entladungslampe kann beispielsweise eine Kathode 30 mit der in 2 gezeigten Anordnung aufweisen. Diese Kathode 30 weist einen Kegelbasisteil 31 auf, auf dessen Umfangsfläche mehrere ringartige Rillen, welche sich jeweils in der Umfangsrichtung erstrecken und bei welchen die zur Erstreckungsrichtung senkrechten Querschnitte kreisbogenförmig sind, in der Weise gebildet sind, dass sie zur Richtung der Achse L parallel angeordnet sind. Durch den Kegelbasisteil 31 sind durch Flächenbereiche a, welche dem Entladungslichtbogen entgegengestellt sind und welche jeweils einen ansteigenden Bereich der Innenwand dieser Rille darstellen, Lichtaufnahmeflächen-Bereiche gebildet.
-
Ferner kann bei der vorstehend beschriebenen Anordnung die Oberfläche des Kegelbasisteils bei der Kathode einer Mattierungsbehandlung unterliegen. Der Kegelbasisteil mit einer derartigen Anordnung, bei welcher eine Mattierungsbehandlung durchgeführt wurde, weist einen großen Flächeninhalt auf. Es ist deshalb möglich, eine große Menge Thoriumdioxid zu dotieren. Ferner wird die Temperatur, welche für eine Reduktion des Thoriumdioxids erforderlich ist, mit Sicherheit realisiert. Dadurch wird für diese große Menge Thoriumdioxid ein hoher Ausnutzungsgrad realisiert. Man kann deshalb eine große Menge Thorium zur Bildung des Entladungslichtbogens verwenden. Als Folge davon ist es möglich, eine lange Lebensdauer einer Hochdruck-Entladungslampe zu erhalten.
-
Beispiele
-
(Vergleichsbeispiel)
-
Es wurde eine Xenonlampe mit der in 3 gezeigten Anordnung hergestellt, mit einer Ausgangsleistung von 2 kW und einem Betriebsdruck von 8 MPa, bei welcher der Innenraum eines aus Quarzglas bestehenden Kolbens mit Xenongas gefüllt ist. Diese Xenonlampe weist eine Kathode mit der in 4 gezeigten Anordnung auf. Das Material hiervon ist Wolfram, das mit einem Verhältnis von 2 Gewichts-% Thoriumdioxid dotiert wurde. Der Durchmesser der Spitzenfläche der Kathode liegt bei 0,4 mm, der Neigungswinkel θ1 bezüglich des Kegelspitzenbereiches bei 40° und der Durchmesser des Rumpfteils bei 6 mm. Bei der erhaltenen Xenonlampe wurde die Betriebslebensdauer gemessen. Sie lag bei 1150 Stunden.
-
(Ausführungsbeispiel)
-
In derselben Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel wurde eine Xenonlampe hergestellt, außer, dass eine Kathode mit der in 1 gezeigten Anordnung verwendet wurde. Bei dieser Xenonlampe liegen die Breite t in der Radialrichtung der Schrittfläche S1 im Stufenbereich des Kegelbasisteils 221 bei 0,2 mm und die Breite der Stufenumfangsfläche, welche sich in der Richtung der Achse L erstreckt, bei 1,0 mm. Das Volumen ist im Wesentlichen gleich dem der Kathode bei dem vorstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel. Als Folge einer Messung der Betriebslebensdauer bei der erhaltenen Xenonlampe wurde eine Betriebslebensdauer von 1350 Stunden erhalten.
-
Aus dem vorstehend beschriebenen Ergebnis ist ersichtlich, dass man mit der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe eine weit längere Betriebsdauer erhalten hat.