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Hochleistungsgasentladungslampe mit flüssigkeitsgekühlten Elektroden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungslampe mit flüssigkeitsgekühlten
Elektroden zum Betrieb mit hoher elektrischer Leistung. Derartige Gasentladungslampen
weisen ein Entladungsgefäß auf, das aus einem im wesentlichen kugelförmigen Entladungsraum
und daran anschließenden langen Elektrodenstutzen besteht. Die Erfindung bezieht
sich insbesondere auf Xenon-Höchstdrucklampen.
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Bei derartigen Höchstdrucklampen mit hoher Leistung besteht ein grundsätzliches
Problem darin, daß die Lampe trotz einfachen Aufbaus eine möglichst hohe Lichtemission
erreichen soll. Der Aufbau und das verwendete Material stellen dabei eine Begrenzung
für die aufzuwendende Leistung, die zu einem großen Teil in Wärme umgesetzt wird,
dar. So besteht zwischen der Leistung der Lampe und der Größe des Quarzkolbens des
Entladungsgefäßes ein bestimmtes Verhältnis, das von der höchstzulässigen thermischen
Wandbelastung des Kolbens abhängt. Will man die Lampenleistung erhöhen, so muß man
in der Regel die Oberfläche des Kolbens vergrößern. Vergrößert man dagegen die Kolbenmaße,
so müssen die Wände entsprechend dicker gewählt werden, um der mechanischen Festigkeit
Rechnung zu tragen. Dies hat wiederum eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der
Kolbenwände zur Folge und erhöht außerdem die Absorption der Strahlenenergie durch
die Wände. Dadurch wird die Betriebstemperatur erhöht, und infolge des Temperaturgradienten
in den Kolbenwänden wird die mechanische Festigkeit des Kolbens vermindert. Zur
Abhilfe dieses Nachteils hat man bereits versucht, die Leistung von Xenon-Lampen
dadurch zu erhöhen, daß der Betriebsdruck des Xenon-Gases verringert und die Stromstärke
erhöht wird. Da sich der Xenon-Gasdruck auf die Helligkeit des Lichtbogens und die
Lichtemission der Lampe auswirkt, führte diese Maßnahme auch nicht zu dem gewünschten
Erfolg. Je kleiner der Betriebsdruck des Xenon-Gases ist, um so niedriger liegt
der Spannungsgradient und um so größer muß die für die gewünschte Leistung erforderliche
Stromstärke sein. Dabei steigen die Elektrodenverluste in der Lampe und steigt die
Erhitzung des Quarzkolbens.
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Es ist daher wünschenswert, den erhitzten Kolben durch intensive Kühlung
an einer zu hohen Erwärmung zu hindern. Eine Wasserkühlung der Kugelkolben scheidet
jedoch in der Regel aus.
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Es ist deshalb bereits bekanntgeworden, bei leistungsstarken Gasentladungslampen
dafür Sorge zu tragen, daß überhaupt nicht erst eine erhebliche Erhitzung der Kolben
stattfindet. Da bekanntlich etwa ein Drittel der verbrauchten Leistung auf die Elektroden
entfällt und durch die Anodenerhitzung der effektive Wirkungsgrad vermindert wird,
hat man dafür gesorgt, daß die Elektroden ihrerseits bereits gekühlt werden. Durch
die Kühlung der Elektroden findet überhaupt keine übermäßige Erhitzung der Kolben
statt, so daß sich die Betriebstemperatur der Kolben erheblich verringert und die
Leistung der Lampe steigern läßt.
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Derartig flüssigkeitsgekühlte Elektroden von Gasentladungslampen werfen
jedoch eine Reihe weiterer Probleme auf. Einerseits muß dafür gesorgt werden, daß
das Gasentladungsgefäß genügend dicht ist, damit sich das Vakuum nicht verschlechtert,
andererseits muß für eine laufende Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit Sorge getragen
werden können. Um derartige Abdichtungsprobleme zu lösen, ist bereits eine flüssigkeitsgekühlte
Gasentladungslampe bekannt, bei der der flüssigkeitsgekühlte Elektrodenhalter mit
einem Konuselement verbunden ist, in dessen konisch geformten Innenraum der am Ende
ebenfalls konisch geformte Gasentladungszylinder einrastet. Außerdem sind zusätzliche
überwurfmuttern und Gummidichtringe verwendet, um für eine genügende Abdichtung
sowohl gegen Gas als auch gegen Flüssigkeitseintritt zu sorgen. Der Nachteil eines
derartigen Elementes besteht vor allem darin, daß die konischen Flächen sorgfältigst
bearbeitet werden müssen, damit sie genau ineinanderpassen. Außerdem muß für eine
Feinstbearbeitung dieser Flächen beispielsweise durch Schleifen und Polieren Sorge
getragen werden.
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Bei anderen nichtflüssigkeitsgekühlten Vakuumgefäßen, nämlich einem
Qecksilberdampfgleichrichter, ist es andererseits bereits bekannt, das Gasentladungsgefäß
mit
einem zusätzlichen Flansch zu versehen, der im Abstand vom zylinderförmigen Ende
des Gasentladungsgefäßes angeordnet ist. Sowohl das Ende des Gasentladungsgefäßes
als auch der auf dieses aufgeschrumpfte Flansch stehen unter Zwischenlegung von
Dichtmitteln mit einem Verschlußdeckel in Verbindung. Um eine hermetische Abdichtung
zu erreichen, sind die Zwischenräume zwischen dem Verschlußdeckel und dem Vakuumgefäß
mit Quecksilber geffillt. Der Nachteil einer derartigen Abdichtung besteht darin,
daß die Herstellungskosten derartiger Abdichtvorrichtungen erheblich hoch sind,
ohne daß für eine gute Abdichtung gesorgt ist, sofern nicht zusätzlich Quecksilber
als Abdichtmittel verwendet ist. Infolge der ungleichmäßigen Verspannung des mit
dem Verschlußdeckel an mehreren Stellen durch Schraubverbindungen verbundenen Flansches
ist die Abdichtung nicht hermetisch dicht. Außerdem läßt ein derartiger Vorschlag
nicht erkennen, wie flüssigkeitsgekühlte Elektroden abgedichtet werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen
Nachteile der vorbekannten Gasentladungslampen zu überwinden. Es soll eine einfache
Bedienungsmöglichkeit der Abdichtung geschaffen werden. Dabei soll die Abdichtung
gleichmäßig dicht erfolgen, ohne daß Quecksilberdichtmittel verwendet sind.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Elektrodenstutzen an ihren äußeren
Enden einen an sich bekannten angeformten Flansch aufweisen, an dem ein anschraubbarer
Anschlußteil mittels einer den Flansch umgreifenden überwurfmutter unter Zwischenlage
von Dichtungen befestigt ist, daß der Abschlußteil als Halter für die mit Spiel
in den Elektrodenstutzen eingeschobene Elektrode dient, mit Anschlüssen für die
Stromzuführung sowie für die Kühlflüssigkeit versehen ist und in seinem Inneren
einen Kanal aufweist, der eine nach außen führende Öffnung im Abschlußteil zum Auspumpen
und zum Einfüllen des Füllgases über den Spalt zwischen dem Elektrodenstiel und
der Wand des Elektrodenstutzens mit dem Entladungsraum verbindet; dabei soll das
dem Spalt zugekehrte Ende des Kanals mit einer öffnung in der zwischenliegenden
Öffnung fluchten und der Abschlußteil dieses Kanals .durch Verdrehen dicht verschließbar
sein.
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Um einen verhältnismäßig großen und gleichmäßigen Dichtungsdruck und
eine gute Abdichtung zu erreichen, ist es in weiterer Ausbildung der Erfindung zweckmäßig,
den Innendurchmesser der überwurfmutter etwa gleich dem Außendurchmesser der Flansche
des Entladungsgefäßes zu wählen, als Abstützung zwischen der überwurfmutter und
den Flanschen Kolbenringe und als Dichtung zwischen den Flanschen und den Kolbenringen
Bleiringe zu verwenden. Außerdem ist es vorteilhaft, auch für die Dichtung zwischen
dem Flansch des Entladungsgefäßes und dem Abschlußteil einen Bleiring zu verwenden.
Auch die Dichtung zwischen dem Abschlußteil und dem Elektrodenstiel ist vorteilhafterweise
als Bleiring ausgebildet. Dabei weist der Bleiring eine Dicke von insbesondere mindestens
der anderthalbfachen Gewindesteigung auf.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung vermag die zugrunde liegende Aufgabe
auf sehr vorteilhafte Weise zu lösen. Einerseits wird eine hermetische Verbindung
zwischen dem Quarz des Entladungsgefäßes und dem Metall geschaffen, so daß der Lampe
eine beliebig große Stromstärke zugeführt werden kann. Andererseits ist auch die
Flüssigkeitskühlung der Elektroden in der Lampe verwirklicht, die bei den Xenon-Höchstdrucklampen
mit Folieneinführungen nicht realisierbar ist. Auch bei Verwendung von Einführungen
mit Übergangsgläsern ist eine derartige Flüssigkeitskühlung praktisch undurchführbar.
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An Hand der F i g. 1 bis 7, die Beispiele für die Erfindung darstellen,
ist die Erfindung noch näher erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 den Quarzkolben der
Lampe, F i g. 2 die hermetisch abgedichtete Einführung, F i g. 3 den Elektrodenhalter,
F i g. 4 und 5 die Elektroden (Anode und Kathode), F i g. 6 die vollständige Gasentladungslampe
und F i g. 7 eine Variante einer Einführung für schlauchlose Auspumpung der Lampe.
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Gemäß den F i g. 1 und 2 weist das aus Quarz bestehende, kugelförmig
ausgebildete Entladungsgefäß 1 nach beiden Seiten je einen Stutzen 2 auf: Die Stutzen
2 sind an ihren Enden mit je einem Flansch 3 versehen. Die Abmessungen der Stutzen
2 und Flansche 3 können unterschiedlich sein. Um eine hermetisch dichte Einführung
zu erhalten, die die Stromstärke praktisch nicht begrenzt, ist der Flansch 3 durch
die überwurfmutter 4 beim Anziehen über eine Scheibendichtung 5 an den Abschlußteil
6 der Einführung angepreßt. Die Scheibendichtung 5 besteht vorzugsweise aus Blei
oder einem ähnlichen Metall. Da die Öffnung in der überwurfmutter 4 genauso groß
ist wie der Durchmesser des Flansches 3, legt man zur Anpressung des Flansches 3
zwischen diesen und die überwurfmutter 4
die Halb- bzw. Kolbenringe 7. Diese
Kolbenringe 7 dienen zur Abstützung. Zwischen ihnen und den Flanschen 3 wird die
Bleidichtung 4 eingefügt.
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Gemäß F i g. 3 ist in den Anschlußteil 6 der Einführung der Elektrodenhalter
bzw. Elektrodenstiel 9 eingeschraubt. Dieser ist hohl ausgebildet und innen durch
eine Trennwand 10 geteilt, damit die Elektroden (die Anode 11 und/oder die
Kathode 12) mit Wasser gekühlt werden können.
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In den F i g. 4 und 5 sind Beispiele für die Ausbildungen der Anode
11 und der Kathode 12 dargestellt. Gemäß F i g. 4 ist die Wolframanode
11 durch eine Kupfer-Nickel- bzw. Molybdän-Nickel-Legierung 13 an die Patrone 14;
die aus »ARMCO«-Stahl besteht, angelötet. Die Patrone 14 ist ihrerseits mit dem
Elektrodenhalter 9 verlötet.
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Das Auspumpen der Lampe erfolgt über ein System von Öffnungen, die
in den Metallteilen der Anschlußvorrichtung angeordnet sind.
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Bei der Herstellung der Metallteile der Einführung und der Elektrode
werden in den Elektrodenhalter 9 und den Abschlußteil 6 der Einführung gemäß F i
g. 7 Kanäle 15 gebohrt, die einen Durchmesser von beispielsweise 1,5 mm aufweisen.
Zu diesem Zweck wird der Elektrodenhalter 9 bis zum Aufliegen in den Abschlußteil
6 der Einführung eingeschraubt. Außerdem werden bei dieser Lage Kerben derart eingeritzt,
daß die Kanäle der genannten Teile übereinander liegen, wenn sich die Kerben decken.
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Bei der Montage der Lampe wird zwischen den Abschlußteil 6 der Einführung
und den Elektrodenstiel 9 eine Metalldichtung 16 aus Blei gelegt, deren Dicke ungefähr
das Anderthalbfache des Gewinde
ganges oder mehr beträgt. Beim Einschrauben
des Elektrodenhalters 9 in den Abschlußteil 6 ohne besonderen Kraftaufwand wird
der Abstand der Kanäle 15 etwa die Hälfte einer Umdrehung ausmachen. Damit sich
diese Kanäle 15 decken, muß der Elektrodenhalter 9 beispielsweise mit einem Schraubenschlüssel
um eine halbe Drehung weitergedreht werden. Dabei wird das überschüssige Blei durch
die Spalte zwischen der Einführung und dem Halter 9 hinausgepreßt.
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Anschließend wird in die Dichtung 16 eine öffnung gebohrt, die vakuumdicht
mit der Scheibe 17
verlötet wird. Auf diese Weise wird der Lampeninnenraum
mit dem Innenraum des Elektrodenhalters 9 verbunden. Durch die Absaugöffnung 18
kann nunmehr die Lampe ausgepumpt werden.
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Zur Lösung der Lampe von der Vakuumpumpe ist es lediglich erforderlich,
den Elektrodenhalter 9 um eine halbe Drehung in bezug zur Einführung zurückzuschrauben.
Verstellt man die Kanäle 15 um 180° und zieht man zusätzlich die Dichtung 16 um
einen halben Gewindegang weiter an, so ist der hermetische Verschluß sichergestellt.
Dabei darf die Dicke der Dichtung 16 nicht weniger ausmachen als 1,25 des Gewindeganges,
während die Drehung des Elektrodenhalters 9 in bezug zum Abschlußteil 6 der Einführung
unterschiedlich sein kann. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe
wird durch folgende Vergleichsangaben deutlich gemacht: In den Xenon-Höchstdrucklampen,
die heute in den USA. hergestellt werden, sind Folieneinführungen verwendet, während
man für die gleichen Erzeugnisse in der deutschen Bundesrepublik und in Japan Einführungen
mit übergangsgläsern benutzt. Beide Einführungstypen weisen eine Reihe wesentlicher
Mängel auf, die ihrer thermischen und mechanischen Festigkeit Abbruch tun und dazu
führen, daß ein erheblicher Prozentsatz der Lampen ausrangiert werden muß. Infolgedessen
müssen die Maße der Lampen erheblich vergrößert und der Betriebsdruck verringert
werden. Die Verringerung des Betriebsdruckes hat jedoch, wie gesagt, eine Verringerung
der lichttechnischen (Leuchtdichte, Lichtausbeute) und der elektrotechnischen Daten
(niedrige Spannung an der Lampe, große Stromstärken und Verluste) zur Folge.
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Die in Tabelle 1 angeführten Vergleichsdaten der Experimentallampen
mit 10-kW-Leistung, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut wurden, und amerikanischer
Lampen gleicher Leistung (I11. Eng., März 1962, S.150 bis 158) zeigen, daß die Erfindung
die Möglichkeit bietet, die Kennwerte der Lampen wesentlich zu verbessern.
| Tabelle 1 |
| Spannung Strom Licht- Kugel- |
| Leistung an der derLampe bogen- Anfangs- Leuchtdichte durchmesser
Gesamtlänge |
| p Lampe 1 länge kaltdruck B D L |
| UL L l |
| (kW) (V) (A) (mm) (at) (Kilostilb) (mm) (mm) |
| USA . ..... . . ... 10,0 40 250 8,3 2,5 145 100 710 |
| UdSSR . . . . . . . . . |
| 10,35 |
| 45 |
| 230 |
| 5,8 |
| 8,10 |
| 190* |
| 65 bis 70 |
| 275 bis 300 |
| * Leuchtdichte in der Mitte des Bogens mit einem Durchmesser
des Flecks von 0,2 mm und nicht die Durchschnittsleucht- |
| dichte wie bei den Lampen aus den USA. |
Die nachstehende Tabelle 2 zeigt einen Vergleich zwischen den japanischen Lampen
XDA-3000 (3-kW-Leistung) und den Experimentallampen gleicher Leistung, die nach
der vorliegenden Erfindung gebaut wurden.
| Tabelle 2 |
| Spannung Strom Lichtbogen- Kugel- |
| Leistung an der Lampe der Lampe Leuchtdichte Gesamtlänge |
| p länge B durchmesse r |
| UL IL 1 D |
| (kW) (V) (A) (mm) (Kilostilb) (mm) (mm) |
| Japan |
| XDA-3000... 3,0 30 100 6 45 50 330 |
| UdSSR |
| DSK R-3000 . . 3,0 30 100 4 70 44 250 |
Abgesehen von der erheblichen Verbesserung der Lampendaten ist Ausschußerzeugung
bei der vorgeschlagenen Bauart (etwa infolge eines Versagens der Einführungen) eine
sehr seltene Erscheinung.
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Ein Vorzug der vorgeschlagenen Bauart ist ferner die Einsparung kostspieliger
Baustoffe, wie Quarz, Molybdänfolien, übergangsgläser und Wolfram, sowie der einfachere
Herstellungsprozeß.
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Versuche mit Lampen der vorgeschlagenen Bauart haben gezeigt, daß
die Höchsttemperatur des Kolbens gegenüber der Entladung liegt und zu den Füßen
hin absinkt. Für eine Lampe von 3 kW z. B. beträgt die Temperatur im Kolbenzentrum
höchstens 600° C und am oberen Fuß 300° C. Der Kühlwasserverbrauch liegt bei 4 bis
51/Min.
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Durch die Einführungen für leistungsstarke Gasentladungslampen mit
zwangläufiger Flüssigkeitskühlung wird folgendes gewährleistet: 1. Der Lampe können
praktisch unbegrenzte Stromstärken zugeführt werden; 2. kleinerer Elektrodendurchmesser
und verringerte Abschirmung des Lichtbogens durch die Elektroden;
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3. da die Kühlflüssigkeit, die in der Lampe (an den Elektroden) nutzlos ausgesandte
Energie wegführt, wird die thermische Kolbenbelastung wesentlich verringert, so
daß der Kolben kleiner ausgeführt werden kann und sich dadurch verbilligt; .4. Vergrößerung
des Öffnungswinkels (Apertur); 5. Verringerung der Lampenmaße; 6. erhebliche Steigerung
der mechanischen Festigkeit der Lampe sowohl gegen inneren Druck als auch gegen
Rütteln, Schütteln, Stöße und andere äußere Einwirkungen; 7. merkliche Verbesserung
der Betriebseigenschaften der Lampe, namentlich der Leuchtdichte und der Lichtausbeute
(gegenüber den analogen Lampen mit Folieneinführungen oder übergangsgläsern), Erhöhung
der Spannung an der Lampe und Verringerung der Stromstärke und der Verluste im Ballastwiderstand.
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Die vorgeschlagene Bauart ermöglicht es, ohne Auspumpstengel auzukommen
und bei der Montage sogenannte heiße Arbeitsgänge zu vermeiden, die Lampe mit höherer.
Genauigkeit im Hinblick auf den Elektrodenabstand. zu bauen und viele Bestandteile
wiederholt zu gebrauchen, falls die Lampe beschädigt oder wegen Herstellfehler ausrangiert
wird.