DE20005764U1

DE20005764U1 - Kurzbogenlampe

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Publication number: DE20005764U1
Application number: DE20005764U
Authority: DE
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2010-03-31
Also published as: JP3080631U; CN2507133Y; DE20102975U1; US6614186B2; US20010035719A1

Description

Patent-Treuhand-Gesellschaft

für elektrische Glühlampen mbH., München

Ku rzbogen I am pe

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Kurzbogenlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Xenon-Kurzbogenlampen hoher Leistung. Außerdem kann die Erfindung auch bei anderen Kurzbogenlampen wie Quecksilber-Kurzbogenlampen angewendet werden. Insbesondere ist sie für Gleichstromlampen anwendbar, deren Anode großen Durchmesser besitzt. Ein bevorzugte Anwendung liegt bei Entladungslampen für Standbildanwendungen (z.B. Großbild-Diaprojektion) und digitale Projektions techniken, wo die Bogenbewegung stärker wahrgenommen wird, da es keine Bewegung des Filmes gibt.

Stand der Technik

Das Problem der Bogenunruhe wurde bisher im wesentlichen einzig als Elektroden-Phänomen betrachtet. Bisher wurde lediglich versucht eine für die Entladung geeignete Elektrodengestalt zu finden, die möglichst strömungsgünstig ist (EP-A 751 548). Dabei wird jedoch die turbulente Rückströmung im Lampenkolben nicht berücksichtigt. Durch eine strömungsgünstige Form der Elektroden wird die Bewegungsenergie in der Strömung des Füllgases (Xenon, Krypton oder Argon) oder Dampfes (Quecksilber oder anderes Metall) nicht vermindert und turbulente Störungen des Entladungsbogens durch das rückströmende Gas sind nicht zu vermeiden.

Zur Minimierung der Bogenunruhe wurden folgende Maßnahmen bisher angewandt:

- Verringerung des Fülldruckes bei gleichzeitiger Vergrößerung des Bogenabstandes, um bei gleichem Strom gleiche Brennspannung zu erhalten. Für Fotooptische Anwendungen kommt es jedoch auf möglichst geringen Bogenabstand an, um eine möglichst punktförmige Lichtquelle zu simulieren.

- Reduktion des Stromes, da bei geringerem Strom auch die Gasturbulenzen geringer werden. Nachteilig daran ist aber, daß dadurch auch der Strahlungsfluß vermindert wird.

- Betrieb der Lampe in vertikaler Brennlage mit Anode oben. Dadurch wird der Anwendungsbereich erheblich eingeschränkt.

Alle diese Maßnahmen bekämpfen jedoch eher die Folgen der Turbulenz als daß sie deren Auftreten von vornherein verhindern.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurzbogenlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die sich durch eine sehr geringe Bogenunruhe auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die vorliegende Erfindung eignet sich vor allem für Xenon-Kurzbogenlampen, insbesondere mit hohem Kaltfülldruck > 5 bar. Sie ermöglicht nicht nur vertikale, sondem auch horizontale und beliebig geneigte Brennlagen. Besonders geeignet ist die Anwendung auf die Form der Anode bei Gleichstromlampen, jedoch ist das Prinzip bei hohen Wattagen außerdem auch auf die Kathode anwendbar.

Der ideale Bogen brennt stabil ohne jede Bewegung. In der Realität wird jedoch der Bogen durch die Bewegungen des Füllgases beeinflußt. Dabei treten im wesentlichen zwei Kräfte auf:

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1. Die natürliche Konvektion drückt den Bogen nach oben.

2. Durch die spezielle Stromdichteverteilung im Bogen und dessen Eigenmagnetfeld ergibt sich bei Gleichstromlampen eine starke Beschleunigung des Plasmas in Richtung Anode. Die dadurch erzeugte axiale Gasströmung prallt auf die Anodenvorderseite und wird über die Mantelfläche der Anode abgeleitet. Aus diesem Grund sollte zumindest der Außenbereich der Vorderseite der Anode konisch geformt sein.

Die dominierende Kraft zur Beschleunigung des Gases ist die elektromagnetische Kraft im Bogen. Beim Umströmen der Anode kann sowohl laminare als auch turbulente Strömung auftreten. Hinter der Anode trifft das strömende Füllmedium (Füllgas bzw. Dampf) auf das Ende des Kolbens und kehrt seine Bewegungsrichtung um. Diese Rückströmung erfolgt entlang der Kolbenwand und wird durch die Krümmung des Kolbens wieder in Richtung Kathode gelenkt. Im Kolben herrscht also ein permanente Strömung des Füllmediums (Xenon), wobei die Strömung nahe der Lampenachse in Richtung Anode und nahe der Kolbenwand in Richtung Kathode gerichtet ist. Überlagert wird diese Strömung von der Konvektion, die das Gas bei horizontaler Brennlage oder leichter Neigung senkrecht dazu auslenkt.

Die Bogenunruhe wird auf zwei Arten durch diese Gasströmungen beeinflußt:

1. Die Turbulenzen im Füllmedium wechselwirken mit dem Bogenplasma und führen zu unruhigem Brennverhalten.

2. Das vom Bogen emittierte Licht muß durch das Gasvolumen dringen, bevor es den Kolben durch die Wand verläßt. Durch die hohe Gasdichte und die Turbulenzen im Gas ist der Brechungsindex im Gasvolumen starken Fluktuationen unterworfen. Dadurch kann es zu erheblichen Ablenkungen des emittierten Lichtes kommen.

Die Erfindung minimiert die negativen Einflüsse der Strömung des Füllmediums (insbesondere Xenon und/oder Quecksilber) auf den Bogen, wodurch die Bogenunruhe der Lampe verbessert wird.

Die beschriebenen Effekte werden zunehmend störend für:
- Relativ große Bogenabstände (> 2 mm, typisch 3 bis 10 mm);

- hohe Fülldrücke (> 5 bar Kaltfülldruck eines Edelgases bzw. >15 bar Betriebsdruck des Füllmediums);

- hohe Ströme (> 50 A).

In Experimenten haben sich nachfolgende wichtige Einflußgrößen herausgestellt. Die Maßnahmen zielen darauf ab, den Bogen und das emittierte Licht innerhalb des Kolbens möglichst geringen Gasturbulenzen auszusetzen. Neben der geeigneten Lage des Bogens im Kolben ist die Energie der Gasströmung eine wichtige Größe. Mit zunehmender kinetischer Energie der Gasströmung nimmt auch der Einfluß auf den Bogen zu.

Die Erfindung benützt eine Formgebung der Anode (aber bei großwattigen Lampen auch der Kathode) um die kinetische Energie des Füllungsmediums zu reduzieren.

Wird der Anodendurchmesser hinter der vorderen Bogenansatzfläche reduziert, so existiert ein Überstand (Vorsprung), der eine Verwirbelung der Füllung an dieser Stelle erzwingt. In diesem Wirbel verliert die Strömung beträchtlich an Energie. Das Füllmedium fließt im hinteren Bereich des Anodenmantels laminar und mit geringer kinetischer Energie ab. Die Bogenunruhe bleibt über die gesamte Lebensdauer der Lampe gering.

Im einzelnen ist die Anode so aufgebaut, daß auf einem Schaft ein zylindrisch geformier Mantelkörper mit zwei Endflächen sitzt. Er weist eine entladungsseitige Vorderfläche auf, die häufig als ein Vorderabschnitt ausgebildet ist, der sich zu einer

Spitze oder einem Plateau verjüngt. Die entladungsabgewandte Endfläche (Hinterfläche) ist meist eben. Der Mantelkörper besitzt an seiner vorderen Hälfte einen Überstand oder Vorsprung. Der Querschnitt des Mantelkörpers kann ein Kreis, aber auch eine Ellipse o.a. sein.

Vorteilhaft besitzt die Anode einen konisch zulaufenden oder gekrümmten (beispielsweise halbkugelförmige) Vorderabschnitt mit oder ohne Plateau an seiner Spitze, wobei der Überstand vorteilhaft direkt an der Nahtstelle zwischen dem Mantelkörper und dem Vorderabschnitt ausgebildet ist. Der Überstand kann jedoch auch etwas weiter hinten in der vorderen Hälfte des Mantelkörpers ausgebildet sein. Ein Überstand von 0,5 mm Länge an der Mantelfläche ist bereits ausreichend um den Wirbel zu erzeugen, kleinere Überstände sind zu wenig effektiv. Eine praktische Obergrenze ist letztlich durch den Materialverbrauch beim Herstellen der Anode gegeben. Dementsprechend sollte der Überstand nicht 5 mm Länge überschreiten, da das Material abgetragen werden muß (beispielsweise durch Drehen). Eine Alternative ist eine mehrteilige Anode, wobei der Überstand zu einem ersten Teil, das der Entladung zugewandt ist, gehört, und der Bereich des restlichen Mantelkörpers einen zweiten Teil bildet.

Typische Durchmesser der Anode in der hinteren Hälfte des Mantelkörpers liegen in einem Bereich von etwa 10 bis 30 mm. Der Durchmesser des Mantelkörper hinter dem Überstand kann konstant sein oder leicht variieren (insbesondere konisch zulaufen).

Der Überstand weist vorteilhaft zwei Flanken auf, die geradlinig oder geschwungen verlaufen. Vorteilhaft ist ein spitzer Winkel (<60°, insbesondere <45°) zwischen den zwei Flanken, die zuverlässig den energieverzehrenden Wirbel erzeugt. Die radiale Länge des Überstands kann dann besonders klein sein. Der Überstand kann in etwa V-förmig, sägezahnförmig oder auch gerundet ausgeführt sein.

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In besonders optimierten Ausführungsformen werden noch folgende Merkmale berücksichtigt:

Die Lage des Bogens im Kolben ist optimal, wenn die Vorderfläche der Anode (bzw. das Anodenplateau) etwa in der Mitte des Kolbens liegt (maximal ±5 mm Abweichung in axialer Richtung). Je weiter das Anodenplateau in axialer Richtung über die Mittellinie des Kolbens hinaus verschoben wird, desto mehr gerät der Bogen unter den Einfluß stark turbulenter Bereiche und unterschiedlicher Brechungsindizes. Abhängig von der Leistung der Lampe wird eine maximale Abweichung innerhalb 3% der gesamten axialen Länge des Entladungsvolumens empfohlen.

Wird der Anodendurchmesser im Verhältnis zum Strom groß gewählt, kann sich bereits im Kegelbereich der Anode ein zusätzlicher Wirbel ausbilden, in dem die Strömung beträchtlich an Energie verliert. Wird der Durchmesser D in mm angegeben und der Strom I in Ampere, zeigt sich ein Verhältnis von 0,1 < D/I < 0,3 (insbesondere 0,25 > D/I > 0,15) als vorteilhaft, um diesen zusätzlichen Wirbel zu erzeugen

Zur weiteren Verbesserung der Bogenunruhe haben sich weitere Maßnahmen als günstig erwiesen, deren grundsätzliche Verwendung im Lampenbau zwar bekannt ist, jedoch bisher nicht zu diesem Zweck verwendet worden sind, um dem umströmenden Gas kinetische Energie zu entziehen, wie die an sich bekannten Bohrungen im Anodenmantel (DE-AS 976 223 und US-A 2 474 278) oder Rillen oder Vertiefungen im Anodenmantel (DE-A 197 49 908 ) oder Wendeln auf dem Schaft der Anode (EP-A 715 339).

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 eine Entladungslampe, im Schnitt

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Figur 2 die Anode der Entladungslampe im Detail

Figur 3 weitere Ausführungsbeispiele von Anoden

Figur 4 eine Darstellung der Strömungsverhältnisse in einer Entladungslampe gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer konventionellen Lampe

Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist stark schematisch eine mit Gleichstrom betriebene Xenon-Kurzbogenlampe 1 mit einer Leistung von 3000 W gezeigt, die als Projektionslichtquelle Verwendung findet. Das tonnenförmige Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas ist mit Xenon (Kaltfülldruck 11 bar, entsprechend einem Betriebsdruck von 40 bis 50 bar) gefüllt. Im Entladungsgefäß ist eine Anode 3 und eine Kathode 4 in einem Abstand von etwa 4 mm zueinander axial angeordnet. Jede Elektrode 3,4 weist einen Schaft 5 auf. Die elektrische Zuleitung erfolgt über Molybdänfolien 6, die über Stifte nach außen zu metallischen Hülsensockeln 7 geführt sind. Die Molybdänfolien 6 sind vakuumdicht in die beiden Enden 8 des Entladungsgefäßes eingeschmolzen.

Statt einer Einschmelzung kann auch eine andere Technik verwendet werden wie Stabeinschmelzung oder Bechereinschmelzung.

Die Anode 3 ist ein massiver Zylinderblock aus Wolfram. Ein erstes Ausführungsbeispiel ist im Detail in Figur 2 gezeigt. Die Anode besitzt einen Kopf 10 mit einem Vorderabschnitt 11, einem Mantelkörper 12 und einer Hinterfläche 13. Der Vorderabschnitt 11 besitzt eine zentrale Ansatzfläche 14 für den Bogen und einen Außenbereich 15, der konisch nach außen bis zur Außenwand 16 des Mantelkörpers 12 verläuft. Der Mantelkörper 12 hat einen Durchmesser von 21 mm. Am Verbindungsbereich zwischen Vorderabschnitt und Mantelkörper erstreckt sich ein umlaufender, im Querschnitt V-förmig gestalteter Überstand 20, dessen radiale Länge &khgr; etwa 0,5 mm beträgt, so daß der maximale Durchmesser der Anode insgesamt 22 mm beträgt. Der Überstand 20 hat zwei Flanken 18a, 18b, die an einer scharfen Kante 17 zusammenstoßen, und bildet einen spitzen Winkel von etwa 60°.

Die Länge des Anodenkopfes 10 beträgt insgesamt 28 mm. Die Hinterfläche 13 ist ebenfalls mit einer leichten Schräge 19 an den Mantelkörper 12 angeschlossen.

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In der folgenden Tabelle ist für diesen Typ und einem ganz ähnlich gestalteten Typ höherer Leistung (4000 W) der Nennstrom I und der äußere Durchmesser D des Mantelkörpers der Anode angegeben, sowie das Verhältnis D/l.

Lampentyp	D/I	Nennstrom I	Anoden durchmesser D
3000W	0,20	110 A	22 mm
4000W	0,19	130A	25 mm

Wenn dieses Verhältnis D/l zwischen 0,1 und 0,3 liegt, insbesondere zwischen 0,15 und 0,25, bildet sich ein zusätzlicher Wirbel im Bereich des konischen Außenbereichs 15 des Vorderabschnitts 11 aus. Die Energieaufzehrung ist dann besonders effizient.

Figur 3 zeigt weitere geeignete Formen der Überstände, nämlich Figur 3a eine sägezahnartige Form des Überstands 23 mit konischer erster Flanke 24a und senkrecht zur Achse der Anode 22 stehender zweiter Flanke 24b. Figur 3b zeigt eine Anode 27 mit einer Form des Überstands 28 mit geschwungener zweiter Flanke 29b. Figur 3c zeigt eine Form der Anode 33, bei der der abgerundete Überstand 34 (Halbkuppe) relativ weit hinten am Mantelkörper 35 sitzt (bei etwa 30 % seiner Länge) und Figur 3d eine Form der Anode 36 mit mehreren V-förmigen Überständen 37a, 37b, 37c, deren Größe von vorn nach hinten abnimmt.

Figur 4a zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse in einer Kurzbogenlampe mit elliptischem Entladungsgefäß 38. Es ist deutlich erkennbar, daß die Strömung E des Füllmediums auf den Vorderabschnitt 11 der Anode trifft, und von dort über den Überstand 20 zum Mantelkörper 12 der Anode (A) geleitet wird. Die Strömung ist also vom Bogen C, der sich zwischen den Elektroden erstreckt, weg zum Ende 8 des Kolbens gerichtet ist und besitzt nur eine schmale Breite, da die Strömungsgeschwindigkeit sehr hoch ist. Die Strömung kann insbesondere laminar am Mantelkörper vorbei strömen (A). Am Kolbenende 8 wird die Strömung (F) umgelenkt, fä-

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chert sich auf und das Füllmedium strömt breitflächig (B) an der gekrümmten Kolbenwand 39 zurück.

Dadurch, daß der Vorderabschnitt 11 der Anode in etwa in der Mitte M des Entladungsgefäßes 38 sitzt, wird das Füllmedium aufgrund der Krümmung der Kolbenwand zum Schaft der Kathode hin gelenkt (G) ohne jedoch den Bereich des Bogens C zu stören. Das Licht L des Bogens wird ungestört nach außen emittiert. Das Füllmedium strömt am Schaft der Kathode entlang (D) zum Bereich des Bogens hin.

Im Gegensatz dazu führt eine Konfiguration wie in Figur 4b, bei der der Vorderabschnitt 11 der Anode weit außerhalb der Mitte M angeordnet ist, dazu, daß das Füllmedium auch im Bereich des Bogens C auf die Achse strömt. Die Geschwindigkeitskomponente der Strömung senkrecht zur Lampenachse führt zum Ausweichen des Bogens (störende Turbulenzen) und erhöht die Gasdichte. Beide Effekte beeinträchtigen die Stabilität des Bogens.

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Claims

1. Kurzbogenlampe (1) mit einem Entladungsgefäß (2), das neben einem Füllmedium eine Anode (3) und Kathode (4) enthält, die einander gegenüberstehen, wobei das Füllmedium Inertgase und/oder Metalldämpfe enthält, wobei zumindest die Anode (3) aus einem im wesentlichen zylindrischen Mantelkörper (12) mit zwei Endflächen (11, 13) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der vorderen Hälfte des Mantelkörpers (12) ein Überstand (20) angebracht ist, dessen radiale Länge (x) mindestens 0,5 mm über den Mantelkörper (12) übersteht.

2. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (20) eine radiale Länge von höchstens 5 mm aufweist.

3. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (23; 37)) zwei Flanken (24a, 24b) aufweist, die einen spitzen Winkel bilden.

4. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand mit mindestens einer geschwungenen Flanke (29b; 34a, 34b) ausgestattet ist.

5. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Überstände (37) hintereinander angeordnet sind, deren radiale Längen insbesondere abnehmen.

6. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entladungsseitige Endfläche als sich verjüngender Vorderabschnitt (11) ausgebildet ist.

7. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand mindestens 2 mm beträgt.

8. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsfülldruck mindestens 15 bar beträgt.

9. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromaufnahme der Lampe mindestens 50 A beträgt.

10. Kurzbogenlampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Durchmesser D der Anode in mm und die Stromaufnahme der Lampe I in Ampere angegeben ist, ein Verhältnis D/I von 0,1 < D/I < 0,3 eingehalten wird.

11. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entladungsseitige Endfläche (11) der Anode etwa in der Mitte des Kolbens angeordnet ist.