DE19741871A1 - Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen und Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen, wobei eine im we­ sentlichen langgestreckte, zylinderförmige Entladungslampe mit wenigstens zwei Anschlußkon­ takten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens entlang ihrer Lampenachse von einem für optische Strahlung transparenten zylindrischen Mantel-Rohr 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, sowie eine Verwendung der Anordnung.

Aus der EP 0 105 230 A2 ist eine Anordnung zum Kühlen von Laseranregungslampen be­ kannt, wobei eine im wesentlichen langgestreckte zylinderförmige Entladungslampe mit zwei Anschlußkontakten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens von einem für op­ tische Strahlung transparenten zylindrischen Mantelrohr umgeben ist und durch einen gegen­ über der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Ringspalt zwischen Lampenkolben und Mantel ein Kühlmittel parallel zur Lampenachse strömt; hierdurch soll eine Lampe geschaffen werden, die auch unter strengen thermischen Anforderungen in physikalischer Umgebung eine Fluid- Kühlung ermöglicht, wobei die elektrischen Verbinder dazu befähigt sind, hohe Ströme zu über­ nehmen. Darüber hinaus soll die Verwundbarkeit der Lampe im Hinblick auf eventuelle Brüche des von Lampenkolben und Ummantelung reduziert werden. Der Lampenkolben ist dabei in zwei sich gegenüber liegenden Sockelhülsen elektrisch kontaktierend angeordnet, wobei die in­ neren Hohlräume der Sockelhülse jeweils mit einem benachbart angeordneten Sockelkörper in Gasverbindung stehen, welcher neben einer Fluid-Zufuhr bzw. Fluid-Abfuhr-Leitung zusätzlich mit Kontaktierungsmitteln für den Betrieb der Lampe versehen ist; darüber hinaus weist die Ent­ ladungslampe außerhalb ihres Innenraumes eine Trägerelektrode bzw. Zündelektrode auf. Die für den Einsatz einer Entladungslampe mit äußerem Kolben vorgesehenen Halterungen weisen neben Anschlußkontakten auch jeweils eine Fluid-Zufuhr und Fluid-Abfuhr-Leitung für das Kühl­ mittel auf, wobei das Kühlmittel vorzugsweise aus Wasser besteht; es ist jedoch auch möglich Kohlendioxyd als Kühlmittel durchströmen zu lassen.

Weiterhin ist aus der DE 37 38 921 A1 ein Laser sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Laser­ strahlung bekannt, bei dem das aktive Material vom Licht einer Gasentladungslampe angeregt wird; zur Verbesserung der Standzeit der Gasentladungslampe wird Kühlgas durch das Lam­ penrohr geleitet, welches auch gleichzeitig der Erzeugung der Gasentladung dient; hierzu sind die Elektroden zweckmäßigerweise mit Gasdurchtrittsöffnungen für den Gaskühlkreislauf versehen.

Weiterhin ist aus der DE 40 16 555 C1 ein gekühlter UV-Niederdruckstrahler - insbesondere Quecksilberdampf-Niederdrucklampe - bekannt, ein Entladungsrohr eines UV-Niederdruck­ strahlers in mehrere Längsrohrabschnitte unterteilt ist, die parallel zueinander angeordnet sind und symmetrisch das zentrale Kühlrohr umgeben wobei sie mittels hoher Bögen miteinander verbunden sind; im Inneren des Kühlrohres befindet sich ein zentrales Röhrchen für die Kühl­ mittelzufuhr; weiterhin ist ein das Kühlrohr durchdringendes Röhrchen zur Abfuhr von Träger­ gas wie beispielsweise Stickstoff und ausgetriebenes CO₂ vorgesehen. Die erforderliche Kühl­ leistung wird durch Einbringen von Kühlwasser durch das Kühlrohr erzielt.

Als problematisch erweist sich bei den bekannten Entladungslampen die hohe mechanische Belastung des Lampenkolbens durch den inneren Druck unter Betriebsbedingungen, wobei Druckspannungen auf den in der Regel aus Quarzglas bestehenden Lampenkolbens erheblich besser getragen werden können als vom Innendruck ausgehende Zugspannungen.

Aufgabe der Erfindung ist es eine zuverlässige Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen- insbesondere von Laseranregungslampen - zu schaffen, bei der trotz hoher Belastung durch den Betriebsdruck der Lampenkolben praktisch keiner Zugbelastung mehr unterworfen wird, sondern lediglich einer äußere Druckbelastung auf ihn einwirkt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, daß nach der Erfindung auf eine einfache Kon­ struktion zurückgegriffen werden kann, die mit üblichen Bauelementen realisierbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß die inbesondere bei dieser Anregungslampen ho­ he Belastung des inneren Lampendrucks, welcher zu einer Dehnungsbelastung des Lampen­ kolbens führen würde, nunmehr aufgrund des gegenüber dem Betriebsdruck erhöhten äußeren hydrostatischen Drucks in eine von außen auf den Lampenkolben wirkende Druckspannung umgewandelt wird, wobei sich in der Praxis die Druckfestigkeit des üblicherweise eingesetzten Quarzglases als wesentlich höher erwiesen hat als die Zugfestigkeit bei Überdruck im Inneren des Lampenkolbens.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das Mantelrohr im Gegensatz zum Lampenkolben nicht aus feuerfestem Material bestehen muß so daß eine größere Auswahl an mechanisch und optisch geeigneten Werkstoffen - wie z. B. Aluminiumoxid - zur Verfügung steht.

Die Aufgabe wird verwendungsgemäß durch Anspruch 8 gelöst; hierbei erweisen sich die ver­ hältnismäßig einfache Ausgestaltung der kühlbaren Laseranregungslampe in einer komplexen Laseranordnung und die erhöhte Zuverlässigkeit als vorteilhaft.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, und 2 näher erläu­ tert; die Fig. 1a zeigt im Längsschnitt teilweise gebrochen eine Anordnung zum Kühlen einer zylinderförmigen Entladungslampe. Fig. 1b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie AA der Fig. 1a; Fig. 2 zeigt schematisch den Kreislauf des Kühlmittels für eine Anordnung mit ge­ kühlter Entladungslampe.

Die Entladungslampe 1 weist einen langgestreckten, zylindrischen Lampenkolben 2 auf, der entlang seiner Achse 3 mit zwei sich gegenüberliegenden Anschlußkontakten 4, 5 im Bereich seiner Enden 6, 7 versehen ist; die Enden 6, 7 sind jeweils in Halterungen 9, 10 lösbar arretiert, wobei die Anschlußkontakte 4, 5 mit Kontakten 11, 12 der Halterung jeweils elektrisch verbun­ den sind. Die Halterungen 9, 10 sind entlang des Querschnitts AA zylindersymmetrisch ausgebil­ det, wobei die Halterungen jeweils im Bereich ihres Außenumfanges in Pfeilrichtung gesehen von einer Dichtung 13, 14 umgeben sind, die einen zwischen dem Lampenkolben 2 und einem entlang der Achse 3 aufgesetztem zylindrischen Mantelrohr 16 gebildeten Zwischenraum 31 nach außen hin - gegenüber der Umgebung - abdichten. Zur verbesserten axialen Führung ist jede der beiden Halterungen 9, 10 entlang der Achse 3 mit einem weiteren Dichtring 17, 18 (O-Ring) versehen, welcher neben einer zusätzlichen Dichtungsfunktion auch die Zentrierung der Halterungen entlang der Achse 3 wahrnimmt. Anhand Fig. 1b ist im Querschnitt Halterung 9 (10) mit Hohlraum 29 (30) erkennbar, der eine zum Zwischenraum gerichtete Öffnung 27 (28) aufweist; die Halterung 9 (10) ist auf ihrem Außen-Umfang von einem Dichtring 13 (14) umge­ ben, der einen abgeschlossenen Zwischenraum zwischen Mantelrohr 16 und Außen-Oberflä­ che des Lampenkolbens herstellt.

Die Halterungen 9, 10 sind an ihren jeweiligen dem Lampenkolben 2 abgewandten Ende 20, 21 mit einem Anschlußstutzen 22, 23 versehen, welcher mit einem in Fig. 2 schematisch darge­ stellten Fluid-Strömungs-System verbunden wird. Als Fluid wird vorzugsweise entmineralisier­ tes Wasser eingesetzt. Die Halterungen 9, 10 weisen gemäß Fig. 1a jeweils auf ihren dem Lampenkolben 2 zugewandtem Ende 25, 26 eine Öffnung 27, 28 auf, welche den jeweiligen Strömungsanschluß 22 bzw. 23 über einen Hohlraum 29, 30 der Halterung 9, 10 mit den Öff­ nungen 27, 28 zum Zwischenraum 31 verbindet.

Während des Betriebes der Entladungslampe 1 wird über Anschlußstutzen 22 und Hohlraum 29 der Halterung 9 entmineralisiertes Wasser als Fluid über Öffnung 27 dem Zwischenraum 31 zwischen Lampenkolben 2 und Mantelrohr 16 zugeführt, wobei die Strömungsrichtung durch Pfeile symbolisch dargestellt ist. Das entmineralisierte Wasser strömt dabei entlang der Achse 3 der Halterung 10 zu, wobei es über Öffnung 28, Hohlraum 30 und Anschlußdüse 23 die Be­ leuchtungsanordnung verläßt. Der hydrostatische Druck innerhalb des Zwischenraumes 31 wird dabei auf einen Wert im Bereich von 40 bis 45 bar eingestellt, so daß sichergestellt wird, daß der hydrostatische Druck der durchströmenden Flüssigkeit stets oberhalb des Betriebsdruckes der Lampe (27-41 bar) liegt. Fig. 2 zeigt schematisch den Fluidkreislauf an.

Gemäß Fig. 2 tritt aus Öffnung 34 des Kompressor-Kühlsystems 35 das Fluid über Leitung 36 zum Anschlußstutzen 22 der Beleuchtungsvorrichtung mit Entladungslampe 1 aus. Die Strö­ mungsrichtung ist auch hier symbolisch mit einem Pfeil dargestellt. Nachdem das Fluid die Be­ leuchtungsvorrichtung durchströmt hat tritt es am Anschlußstutzen 23 über Leitung 37 aus und wird über Eingang 38 dem Kompressor-Kühlsystem 35 zugeführt. Das Kühlsystem 35 wird mit­ tels eines Stellgliedes 39 so eingestellt, daß der hydrostatische Druck innerhalb der Beleuch­ tungsvorrichtung stets oberhalb des Betriebsdrucks der Entladungslampe 1 liegt.

Als Entladungslampe 1 hat sich insbesondere ein Xenon-Strahler mit einer Leistung im Bereich von 2,5 bis 10 kW bewährt.

Claims (8)

1. Anordnung zum Kühlen von Entladungslampen, wobei eine im wesentlichen langge­ streckte, zylinderförmige Entladungslampe mit wenigstens zwei Anschlußkontakten an sich gegenüberliegenden Enden ihres Lampenkolbens entlang ihrer Lampenachse von einem für optische Strahlung transparenten zylindrischen Mantel-Rohr umgeben ist, wo­ bei durch einen gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Ringspalt zwi­ schen Kolben und Mantel ein Kühlmittel parallel zur Lampenachse strömt, und Kühlmittel- Zufuhr und -Abfuhr jeweils den Enden der Entladungslampe benachbart angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel einen höheren statischen Druck als den Be­ triebsdruck der Entladungslampe (1) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser einge­ setzt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von statischem Druck zu Betriebsdruck der Entladungslampe (1) im Bereich von 1,1 : 1 bis 1,5 : 1 liegt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantel- Rohr (16) aus Quarzglas besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantel- Rohr (16) aus Aluminiumoxid besteht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhält­ nis des Innendurchmessers des Mantel-Rohres (16) zum Außendurchmesser des Lam­ penkolbens (2) im Bereich von 3 : 1 bis 1,5 : 1 liegt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entla­ dungslampe (1) als Xenon-Strahler ausgebildet ist.

8. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Kühlung einer Laser-Anregungslampe.