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Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit Kühleinrichtung, wobei die Gasentladungslampe aus einem doppelwandigen Quarzglasrohr besteht, welches aus einem Lampenrohr zur Aufnahme von Füllgas besteht, das außen von einem zum Lampenrohr beabstandeten Mantelrohr zur Aufnahme eines strömenden flüssigen Kühlmittels zwischen dem Mantelrohr und dem Lampenrohr umgeben ist, wobei in dem Lampenrohr eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an sich gegenüberliegenden Enden des Lampenrohrs angeordnet sind. Die Elektroden weisen jeweils einen Kopfbereich an dem im Lampenrohr liegenden Ende der jeweiligen Elektrode und einen Endbereich an dem außerhalb des Lampenrohres liegenden Ende auf. Dabei ist der Abstand zwischen den beiden Elektroden mindestens um eine Größenordnung größer als der Durchmesser eines sich beim Betrieb der Gasentladungslampe zwischen den Elektroden ausbildenden Plasmaschlauchs.
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Gasentladungslampen, insbesondere Edelgas-Hochdruckentladungslampen, bestehen üblicherweise aus einem mit Edelgas gefüllten Quarzglasrohr, in dem zwei sich gegenüber stehende Elektroden angeordnet sind. Vorzugsweise kommt Xenon zum Einsatz, das sonnenlichtähnliches Licht ausstrahlt. Xenon-Gasentladungslampen werden üblicherweise je nach der Lichtbogenlänge in zwei Arten unterteilt. Als Kurzbogen-Xenonlampen sind Lampen mit einem Elektrodenabstand von einigen Millimetern bezeichnet und sie werden zum Beispiel als Suchscheinwerfer, Fahrzeugscheinwerfer oder Lichtquellen von Projektorvorrichtungen für das digitale Kino verwendet. Langbogen-Xenonlampen sind Lampen mit einem Elektrodenabstand, der deutlich größer als der Durchmesser des Plasmaschlauchs ist und der in Abhängigkeit von der Stabilität der Lampen über einen Meter liegen kann. Solche Langbogen-Xenonlampen werden beispielsweise als Lichtquellen für RTP-Prozesse (Rapid Thermal Processing) oder Sonnensimulationen des Lichtalterungsverhaltens von amorphen Solarzellen eingesetzt.
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Die Elektroden dieser Arten von Xenon-Gasentladungslampen bestehen normalerweise aus einer Wolfram-Legierung. Aus der kegelförmigen und heißen Kathode, die auf einem Metallstift, z. B. aus Nickel befestigt ist, treten aufgrund von thermischer Emission Elektronen aus. Durch die zwischen beiden Elektroden angelegte Spannung wandern die freien Elektronen zur zylinderförmigen Anode und regen dabei Xenon-Gasatome an. Durch den konstanten Stromfluss zwischen der Anode und der Kathode entsteht eine Lichtbogenentladung und die Lampe beginnt kontinuierlich Licht zu emittieren.
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Wenn Xenon-Gasentladungslampen, insbesondere Langbogen-Xenonlampen, die beispielsweise für RTP-Prozesse eingesetzt werden, zu leuchten beginnen, entsteht aufgrund der sehr hohen Stromdichten oder Leistungsdichten eine hohe Wärmebelastung im Quarzglasrohr, vor allem im Elektroden-Bereich und insbesondere an der heißen Kathode. Dabei kann die Spitze der Elektrode übermäßig erhitzt werden und das Wolfram, das die Elektroden bildet, partiell schmelzen oder verdampfen. Dieser Prozess kontaminiert oder schwärzt die innere Oberfläche des Quarzglasrohrs und deformiert und verschleißt auch die Spitze der Elektroden. Solche Xenon-Gasentladungslampen können keine lange Lebensdauer gewährleisten.
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Um eine längere Lebensdauer oder eine höhere Leistungsdichte einer derartigen Gasentladungslampe zu schaffen, wurden verschiedene Kühlsysteme verwendet, die die Lampe abkühlen und die Wärmebelastung im Quarzglasrohr vermindern. Für den Betrieb bei geringen Leistungsdichten wird beispielsweise Luftkühlung verwendet. Sie reicht aber im Allgemeinen nicht aus, um Xenonlampen, die mit einem langen Lichtbogen bei hohen Leistungsdichten betrieben werden, zu kühlen. Üblicherweise ist Wasserkühlung oder eine andere Form von Flüssigkeitskühlung erforderlich, um Langbogen-Xenonlampen mit hohen Leistungsdichten ausreichend kühl zu halten.
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In der
CN 2 906 913 Y ist eine wassergekühlte Langbogen-Xenonlampe beschrieben, die aus einem Kühlwassermantel und einer Xenonlampe besteht, wobei die Xenonlampe vom Kühlwassermantel umgeben ist.
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In der
US 4 820 906 A ist eine Langbogen-Lampe zum schnellen Erhitzen eines Halbleiter-Wafers beschrieben, bei der der Elektrodenabstand größer als die größte Dimension des Halbleiter-Wafers ist und die Metall-Elektroden einen großen Durchmesser aufweisen, um Erwärmung von den Enden der Lampe abzuleiten. Außerdem weist das Glasrohr im Bereich zwischen den Elektroden dünne Wände auf, um die Wärmeableitung zu verbessern, und das Glasrohr ist von einem Kühlwassermantel umgeben, um die Lampe zu kühlen.
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Weiterhin ist aus der
DE 197 41 871 A1 eine Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen bekannt, insbesondere zum Kühlen von Laseranregungslampen, wobei eine langgestreckte, zylinderförmige Entladungslampe mit wenigstens zwei Anschlusskontakten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens von einem zylindrischen Mantelrohr umgeben ist, wobei durch einen gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Ringspalt zwischen Kolben und Mantel ein Kühlmittel parallel zur Lampenachse strömt, und Kühlmittel-Zufuhr und -Abfuhr jeweils den Enden der Entladungslampe benachbart angeordnet sind.
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In der
DE 690 09 260 T2 ist eine wassergekühlte Niederdruckgasentladungslampe beschrieben, die eine Lampenröhre umfasst, die eine innerhalb der Lampenröhre angebrachte Wand aufweist, die sich durch die ganze Länge der Lampenröhre erstreckt und die Lampenröhre in eine Entladungskammer und ein Kühlungskammer unterteilt. Dabei werden Kühlungszuflussöffnungen und -abflussöffnungen bereitgestellt, so dass Kühlflüssigkeit zum Abtransport der Wärme, die in der Entladungskammer während des Betriebs der Niederdruckgas- oder Quecksilberlampe erzeugt wird, durch die Kühlungskammer geschickt werden kann.
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Es ist weiterhin auch bekannt, dass eine gekühlte Elektrode für Entladungslampen, insbesondere für Entladungslampen mit einem kurzen Lichtbogen, verwendet wurde. In der
DE 197 29 219 B4 ist eine solche Hochdruckentladungslampe mit einer gekühlten Elektrode beschrieben, bei der die Lampe mit einem Entladungsgefäß und zwei darin angeordneten Elektroden versehen ist, wobei jede Elektrode aus einem Schaft und einem Kopf besteht und mindestens eine Elektrode gekühlt ist, indem ihr Schaft ein Kühlrohrsystem enthält, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Hierbei ist dieses Kühlrohrsystem von einem zusätzlichen Hüllrohr beabstandet umgeben und der Zwischenraum zwischen Hüllrohr und Kühlrohrsystem ist mit einem Mittel zur thermischen Isolierung ausgestattet. Solche Lampen sind insbesondere für Quecksilber-Kurzbogenlampen geeignet, wobei die Anode besonders stark (deutlich stärker als die Kathode) aufgeheizt wird.
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In der
US 5 633 556 A ist eine Gasentladungslampe mit einer wassergekühlten Anode beschrieben, bei der die Anode aus einem Haupt-Element, einer Wolfram-Spitze und einer Wasserkühlanordnung besteht, wobei das Haupt-Element aus Kupfer besteht und die Wolfram-Spitze direkt mit dem Ende des Haupt-Elements verbunden ist, und die Wasserkühlanordnung aus einem Kühlwasser zuführenden Rohr besteht, welches koaxial in dem zylinderförmigen Haupt-Element angeordnet ist. Dabei fließt das Kühlwasser durch die Innenseite des Kühlwasser zuführenden Rohrs zur Spitze hin und durch den Ringspalt an der Außenseite des Kühlwasser zuführenden Rohrs in entgegengesetzter Richtung wieder zurück.
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Weiterhin ist in der
US 3 255 379 A eine Vorrichtung zum Erzeugen von Licht beschrieben, in der eine Lichtquelle aus einem zylindrischen Glasrohr mit zwei in dem Glasrohr angeordneten Elektroden besteht. Die Elektroden sind mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen, die parallel zu der Längsachse der Elektroden durchgehend durch die Elektroden verlaufen. Dabei strömt ein Gas mittels einer Vakuumpumpe durch die Bohrungen der einen Elektrode, danach durch den Entladungsraum, und im Anschluss durch die Bohrungen der anderen Elektrode. Somit werden die Elektroden sowie das Glasrohr ausreichend gekühlt und es ist kein Wasser oder anderes Kühlmedium erforderlich.
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Die
US 3 736 453 A offenbart eine Bogenlampe mit gekühlten Elektroden. Dabei ist beispielsweise eine Kathode mit einem Durchgang für eine Wasserkühlung in einem zylindrischen Teilbereich der Kathode und mit einem axialen Gasdurchgang in der Kathode versehen. Innerhalb einer Anode befinden sich ein Gasdurchgang und mehrere Durchgänge für eine Wasserkühlung. Das Gas wird mittels einer Pumpe in den Gasdurchgang der Kathode zugeführt, fließt durch die Kathode und danach in den Gasdurchgang der Anode ein.
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Die
DE 25 25 401 B2 offenbart eine Anordnung zum Erzeugen einer Strahlung mit zwei in einem langgestreckten zylindrischen Entladungsraum angeordneten Elektroden. Dabei werden ein Gas und eine Flüssigkeit in den Entladungsraum im Bereich seiner zylindrischen Wand eingeführt und in einem Ringraum entlang der zylindrischen Wand durch den Entladungsraum hindurchgewirbelt. Somit bildet die wirbelnd eingeführte Flüssigkeit eine relative dicke zylindrische Flüssigkeitswand. Somit wird der Lichtbogen durch die Flüssigkeitswand begrenzt und durch das Gas stabilisiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungslampe mit Kühleinrichtung zu schaffen, bei der eine übermäßige Aufheizung im Lampenrohr, insbesondere im Elektroden-Bereich, vermieden werden kann. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine hohe Leistungsdichte mit einem Elektrodenabstand über einen halben Meter für die Lampe gewährleisten zu können, ohne dass dadurch eine Verkürzung ihrer Lebensdauer zu befürchten ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die vorliegende Erfindung ist im Prinzip für Gasentladungslampen anwendbar, insbesondere aber vor allem für Hochdruckentladungslampen mit Xenon-Füllung geeignet. Besonders vorteilhaft lässt sich die vorliegende Erfindung auf Lampen mit einem langen Lichtbogen anwenden.
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Erfindungsgemäß hat die Gasentladungslampe mit Kühleinrichtung ein doppelwandiges Quarzglasrohr, welches aus einem innen mit Füllgas gefüllten Lampenrohr besteht, das außen von einem Mantelrohr umgeben ist, wobei zwischen dem Mantelrohr und dem Lampenrohr ein flüssiges Kühlmittel strömt. In dem Lampenrohr sind eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an sich gegenüberliegenden Enden des Lampenrohrs angeordnet, wobei zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode ein Lichtbogen erzeugt wird und ein Plasmaschlauch sich ausbildet, wobei der Abstand zwischen den beiden Elektroden deutlich größer als der Durchmesser des Plasmaschlauchs ist. Dabei ist in jeder Elektrode ein durchgehender Kanal entlang der Längsachse vom Kopfbereich bis zum Endbereich der Elektrode ausgebildet, durch den Füllgas zur Kühlung als Kühlgas in das Lampenrohr zugeführt oder daraus abgeführt wird.
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Aufgrund der sehr hohen Stromdichten oder Leistungsdichten entsteht eine sehr hohe Wärmebelastung im Lampenrohr, vor allem im Elektroden-Bereich, insbesondere an der Kathode. Hohe Elektroden-Temperaturen, die durch Energieeinkopplung erzeugt werden, führen zur einer Schädigung des Elektroden-Materials insbesondere bei der Kathode. Es ist daher vorteilhaft, das Kühlgas durch die Kathode zuzuführen und durch die Anode abzuführen. Vorzugsweise werden die erfindungsgemäße Kühlgas-Zufuhr und die erfindungsgemäße Kühlgas-Abfuhr an ein Pumpsystem mit einem Wärmetauscher angeschlossen. Das erhitzte Gas wird durch den Kanal in der Anode über den Wärmetauscher gepumpt und anschließend wieder zum Kanal in der Kathode befördert. Auf diese Weise ist es möglich, einen Wärmestrom über den Wärmetauscher zur Umgebung abzuführen, so dass eine übermäßige Aufheizung im Lampenrohr vermieden werden kann, insbesondere im Elektroden-Bereich, in dem anderenfalls ein Schmelzprozess oder ein Verdampfungsprozess durch Aufheizung stattfinden kann.
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Vorzugweise wird Xenon als Kühlgas zur Kühlung der Elektroden und Edelgas-Füllung im Lampenohr verwendet. Dabei ist es bevorzugt, den Druck der Gasfüllung im Lampenrohr durch das Pumpsystem zu regeln.
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Bei einer Ausführungsform ist der durchgehende Kanal jeweils in den Elektroden koaxial angeordnet, wobei der Kanal sich im Kopfbereich der Elektrode verzweigt.
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Dabei sind die Kanäle koaxial zu den Elektroden angeordnet, wobei mindestens einer der Kanäle sich im Kopfbereich der Elektroden verzweigt, wobei ein verzweigender Kanal einen längs zu seiner Elektrode verlaufenden ersten Teilkanal und einen von der Richtung des ersten Teilkanals abweichenden Richtung verlaufenden zweiten Teilkanal aufweist. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der zweite Teilkanal senkrecht zum ersten Teilkanal liegt oder dass der zweite Teilkanal im Bereich des Kopfbereiches zum ersten Teilkanal einen spitzen Winkel einschließt.
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Vorzugsweise werden die Elektroden vollständig aus hochtemperatur-widerstandsfähigen Materialien hergestellt. Vorzugweise werden die Elektroden aus einer Wolfram-Legierung hergestellt, da Wolfram-Legierungen widerstandsfähige, erst bei sehr hohen Temperaturen schmelzende Materialien sind. Dadurch ergibt sich als ein besonderer Vorteil der Verwendung der vorliegenden Erfindung bei Gasentladungslampen mit einem langen Lichtbogen, dass die gasgekühlten Elektroden weit in das Lampenrohr hineingeschoben werden können. Damit weisen kritische Übergangsstellen zwischen verschiedenen Materialien wie Wolfram und Glas wesentlich geringere Temperaturen auf im Vergleich zu herkömmlichen Lampen. Außerdem fällt nur ein geringer Bruchteil des emittierten Lichts auf die Übergangsstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein wärmeableitendes Kühlelement an mindestens einer Elektrode im Endbereich der Elektrode angebracht. Zur Verbesserung des Kontaktes kann im Übergangsbereich zwischen der Elektrode und dem Kühlelement ein wärmeleitender keramischer Klebstoff oder dergleichen verwendet werden. Vorzugweise ist das Kühlelement aus Nickel hergestellt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasentladungslampe als eine kontinuierlich brennende Gasentladungslampe mit einem langen Lichtbogen ausgebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe mit Kühleinrichtung im Querschnitt und
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kathode und einer Anode für eine erfindungsgemäße Gasentladungslampe.
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1 zeigt im Querschnitt eine Gasentladungslampe 1 mit Kühleinrichtung. Die Gasentladungslampe 1 ist vorzugsweise eine kontinuierlich brennende Hochdruckentladungslampe mit Edelgas-Füllung, die insbesondere einen langen Lichtbogen aufweist. Die Gasentladungslampe 1 besteht aus einem doppelwandigen Quarzglasrohr, welches aus einem innen mit Edelgas gefüllten Lampenrohr 2 besteht, das außen von einem Mantelrohr 3 umgeben ist. Zwischen dem Mantelrohr 3 und dem Lampenrohr 2 strömt ein flüssiges Kühlmittel. Üblicherweise besteht das Kühlmittel aus deionisiertem Wasser (DI-Wasser).
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Die Kühlmittel-Zuführung und die Kühlmittel-Abführung werden jeweils mit einem Dichtring 11, 12, beispielsweise Viton O-Ring, auf dem Mantelrohr 3 angeschlossen. In dem Lampenrohr 2 sind eine Anodenelektrode 5 und eine Kathodenelektrode 4 an sich gegenüberliegenden Enden des Lampenrohrs 2 angeordnet, wobei zwischen der Anodenelektrode 5 und der Kathodenelektrode 4 ein Lichtbogen erzeugt wird und sich ein Plasmaschlauch ausbildet. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden ist deutlich größer als der Durchmesser des Plasmaschlauchs.
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Die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektrode 4 sind jeweils im Endbereich des Lampenrohrs 2 mit einem Dichtring 13, 14 angeschlossen. Alternativ kann ein hochtemperaturfester Klebstoff oder ein Hartlot anstelle des Dichtrings eingesetzt werden. In jeder Elektrode ist ein durchgehender Kanal 6, 7 entlang der Längsachse vom Kopfbereich bis zum Endbereich der Elektrode ausgebildet, durch den Kühlgas in das Lampenrohr 2 zugeführt oder daraus abgeführt wird.
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Wenn die Gasentladungslampe 1 zu leuchten beginnt, entsteht eine sehr hohe Wärmebelastung im Lampenrohr 2, vor allem im Bereich der Kathodenelektrode 4 aufgrund der sehr hohen Stromdichten oder Leistungsdichten. Es ist daher vorteilhaft, das Kühlgas durch die Kathode 4 zuzuführen und durch die Anode 5 abzuführen, entsprechend der dargestellten Pfeilrichtung in 1.
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Vorzugsweise werden die Kühlgas-Zufuhr und die Kühlgas-Abfuhr an ein Pumpsystem mit einem Wärmetauscher angeschlossen. Das erhitzte Gas wird durch den Kanal 7 in der Anode 5 über den Wärmetauscher gepumpt und anschließend wieder zum Kanal 6 in der Kathode 4 befördert. Auf diese Weise ist es möglich, einen Wärmestrom über den Wärmetauscher zur Umgebung abzuführen, so dass eine übermäßige Aufheizung im Lampenrohr 2 vermieden werden kann, insbesondere im Elektroden-Bereich.
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Typischerweise wird die Gasentladungslampe 1 mit Xenon gefüllt, das hier auch als Kühlgas zur Kühlung der Elektroden verwendet wird. Außerdem kann der Druck der Gasfüllung im Lampenrohr 2 durch das Pumpsystem geregelt werden, um einen Überdruck zu vermeiden. Dadurch ist es möglich, die Lebensdauer der Gasentladungslampe 1 zu verlängern.
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Die durchgehenden Kanäle 6, 7 sind jeweils in den Elektroden koaxial angeordnet und verzweigen sich im Kopfbereich der Elektroden.
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Üblicherweise werden die Elektroden zur einfacheren Bearbeitung aus zwei Teilen gefertigt.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer einfachen Kathode und einer einfachen Anode. Die durchgehenden Kanäle 6, 7 sind jeweils in den Elektroden koaxial angeordnet und verzweigen sich im Kopfbereich der Elektroden jeweils mit einem Teil des Kanals rechtwinklig.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Kanal 7 in der Anode 5 koaxial gerade durchgehend ausgeführt.
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Die Elektroden 4, 5 werden vollständig aus hochtemperatur-widerstandsfähigen Materialien hergestellt, beispielsweise aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung. Dadurch können die gasgekühlten Elektroden weit in das Lampenrohr 2 hineingeschoben werden. Die kritischen Übergangsstellen zwischen Wolfram und Glas weisen im Vergleich zu herkömmlichen Lampen wesentlich geringere Temperaturen auf. Außerdem fällt nur ein geringer Bruchteil des emittierten Lichts auf die Übergangsstellen.
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Um Erwärmung von den Enden der Gasentladungslampe 1 möglichst effizient abzuleiten, wird ein wärmeableitendes Kühlelement 8, 9 jeweils an der Anodenelektrode 5 und der Kathodenelektrode 4 im Endbereich der Elektroden angebracht. Zur Verbesserung des Kontaktes kann im Übergangsbereich zwischen der Elektrode und dem Kühlelement 8, 9 ein wärmeleitender Klebstoff 10 oder dergleichen verwendet werden, beispielsweise Epoxidharz mit metallischem Pulver. Vorzugweise ist das Kühlelement 8, 9 aus Nickel hergestellt, da Nickel eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasentladungslampe
- 2
- Lampenrohr
- 3
- Mantelrohr
- 4
- Kathode (Kathodenelektrode)
- 5
- Anode (Anodenelektrode)
- 6
- Kanal
- 7
- Kanal
- 8
- Kühlelement
- 9
- Kühlelement
- 10
- Klebstoff
- 11
- O-Ring
- 12
- O-Ring
- 13
- O-Ring
- 14
- O-Ring
