DE102011106253A1 - Kurzbogenentladungslampe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurzbogenentladungslampe, bei der im Inneren einer Leuchtröhre ein Paar Elektroden vorhanden ist und in einem dicht verschlossenen Raum zumindest einer Elektrode ein Wärmeüberträger eingeschlossen ist. Im dicht verschlossenen Raum ist ein Beschränkungskörper ausgebildet, der eine Drehung der Konvektion des geschmolzenen Wärmeüberträgers in der Umfangsrichtung beschränkt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Kurzbogenentladungslampen und insbesondere Kurzbogenentladungslampen, die Elektroden aufweisen, bei denen in einem dicht verschlossenen Raum des Elektrodenhauptkörpers ein Wärmeüberträger eingeschlossen ist.
• Bei Kurzbogenentladunglampen, die als UV-Strahlenquelle von Belichtungsvorrichtungen zur Belichtung von Flüssigkristallsubstraten von Flüssigkristallanzeigen, gedruckten Schaltplatinen o. Ä. verwendet werden, wird bis jetzt die Vergrößerung der Ausgangsleistung vorangetrieben. Wenn durch diese Vergrößerung der Ausgangsleistung der Nennstromverbrauch groß wird, wird der in der Lampe fließende Strom gewöhnlich hoch. Dadurch kommt es zum Problem, dass das Ausmaß der Kollisionen mit Elektronen, die die Elektroden erfahren, groß wird, die Temperatur ansteigt und ein Schmelzen auftritt. Zudem entsteht auch das Problem, dass das Material, das die Elektroden bildet, zum Beispiel Wolfram, verdampft und an der inneren Oberfläche der Leuchtröhre anhaftet und zu einer Schwärzung führt, wodurch das Strahlungsvermögen der Lampe abnimmt.
• Zur Lösung dieser Probleme des Schmelzens bzw. des Verdampfens des Elektrodenmaterials wurde zum Beispiel eine Kurzbogenentladungslampe mit einem wie in der JP-A-2004-6246 offenbarten Elektrodenaufbau vorgeschlagen. Bei dieser Kurzbogenentladungslampe werden Elektroden verwendet, bei denen in einem dicht verschlossenen Raum, der im Inneren des Elektrodenhauptkörpers gebildet ist, ein Wärmeüberträger mit einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als jenem des Elektrodenmaterials eingeschlossen ist, der beim Leuchten der Lampe schmilzt. Dieses Beispiel des Standes der Technik wird nachstehend anhand von 7 und 8 erklärt.
• In 7 ist eine Kurzbogenentladungslampe 1 gezeigt, die ein Paar von Elektroden 11, 12 aufweist, welche einander im Inneren einer Leuchtröhre 10 gegenüberliegen. Der Elektrodenhauptkörper 15 zumindest einer der Elektroden (in diesem Beispiel der Anode) 12 besteht, wie in 8 gezeigt, aus einem Behälterelement 16 und einem Deckelelement 17, in deren Innerem ein dicht verschlossener Raum 18 gebildet ist. In diesem dicht verschlossenen Raum 18 ist ein zum Beispiel aus Gold oder Silber bestehender Wärmeüberträger M eingeschlossen, der einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als das die Elektrode 12 bildende Material, wie z. B. Wolfram, aufweist und beim Leuchten der Lampe schmilzt. Außerdem ist in den dicht verschlossenen Raum 18 ein Inertgas gefüllt. Dieser Wärmeüberträger M schmilzt beim Leuchten der Lampe, erfährt im dicht verschlossenen Raum 18 einen Konvektionsfluss und überträgt die Hitze des Spitzenendes des Elektrodenhauptkörpers 15 zum hinteren Ende des Elektrodenhauptkörpers 15, wodurch das Temperaturgefälle in der Achsenrichtung des Elektrodenhauptkörpers 15 abnimmt und als Folge die Temperatur des Spitzenendes gesenkt werden kann. Dies führt dazu, dass ein Schmelzen und ein Verdampfen des Elektrodenspitzenendes unterdrückt werden kann.
• Doch wenn eine Kurzbogenentladungslampe, die einen derartigen Elektrodenaufbau aufweist, für eine lange Zeit leuchtet, kommt es an einem Teil der Innenwand des Spitzenendes des Elektrodenhauptkörpers zu der als „Hochtemperatur-Kriechverformung” bezeichneten Erscheinung, verformt sich das Elektrodenspitzenende, entsteht im Spitzenendbereich schließlich eine Öffnung und kann es zu einem Platzen kommen. Diese Hochtemperatur-Kriechverformung ist eine Verformungserscheinung, die für Elektrodenaufbauten, welche im Inneren einen dicht verschlossenen Raum aufweisen, spezifisch ist. Was ihren Mechanismus betrifft, wird vermutet, dass sie entsteht, indem die Innenwand der Elektrode beim Leuchten der Lampe durch den Wärmeüberträger und das Inertgas einem hohen Druck ausgesetzt wird und vom Außenbereich der Elektrode her Hitze mit einer äußerst hohen Temperatur erhalten wird. Besonders das Spitzenende, das der Bereich ist, in dem der Entladungslichtbogen entsteht, ist einer hohen Temperatur in einer Größenordnung von zum Beispiel 2000°C ausgesetzt. Bei der Hochtemperatur-Kriechverformung verformt sich ein Teil des Bodenbereichs (der Wand auf Seiten des Elektrodenspitzenendes), der das Behälterelement bildet, konkav, und wenn diese Verformung voranschreitet, entsteht schließlich eine Öffnung und kann es zu einem Platzen kommen. Diese Erscheinung wird nachstehend ausführlich besprochen.
• Wie in 8 gezeigt, besteht der Wärmeüberträger M im Inneren des dicht verschlossenen Raums 18 der Elektrode 12 etwa aus Gold oder Silber, dessen Wärmeübertragungskoeffizient höher und dessen Schmelzpunkt niedriger als jene des Elektrodenmaterials sind. Beim Leuchten der Lampe schmilzt er aufgrund der hohen Temperatur. Wenn die Längsrichtung der Elektrode entlang der senkrechten Richtung angeordnet ist und die Lampe senkrecht betrieben wird, führt der geschmolzene Wärmeüberträger M im Behälterelement 16 durch den Auftrieb und die Lorentz-Kraft eine vertikale Konvektionsbewegung hauptsächlich in der senkrechten Richtung aus, bei der ein Aufwärtsstrom Fu und ein Abwärtsstrom Fd entstehen. Im Inneren des Behälterelements 16 gibt es Bereiche, in denen der Aufwärtsstrom Fu und der Abwärtsstrom Fd einander näherkommen, und durch das Gegenüberliegen dieser Ströme nach oben bzw. unten nimmt der Druck in diesen Bereichen zu. Um diesem Druck auszuweichen, verteilt sich das Fluid auch in der waagerechten Richtung, so dass die Beschleunigung in der waagerechten Richtung zur Konvektion hinzukommt. Da der Aufwärtsstrom Fu und der Abwärtsstrom Fd dadurch, wie in 9 gezeigt, eine Kraft in der waagerechten Richtung erfahren und sich in der Umfangsrichtung (Rotationsrichtung) bewegen, bewegen sich die Stellen, an denen der Aufwärtsstrom und der Abwärtsstrom entstehen, in Bezug auf das dicht verschlossene Behälterelement 16 relativ und verändern sich ständig.
• Da der Aufwärtsstrom Fu die Hitze vom Bodenbereich des dicht verschlossenen Behälterkörpers 16 (vom Elektrodenspitzenende) erhält, ist seine Temperatur hoch, während die Temperatur des Abwärtsstroms Fd niedriger ist, da er nach dem Transport der Hitze zur Innenwand in der Nähe des Deckelelements 17 abwärts strömt. Der Temperaturunterschied zum Abwärtsstrom Fd ist insbesondere in der Nähe des Bodenbereichs 16a groß, direkt nachdem der Aufwärtsstrom Fu die Hitze erhalten hat. Wenn die Temperatur der Wand in der Nähe des Bodenbereichs 16a des Behälterelements 16 an einer Festposition beobachtet wird, während diese Konvektion die oben beschriebene Drehung in der Umfangsrichtung ausführt und es zu einer Veränderung im Zeitverlauf kommt, wird festgestellt, dass wie bei den als Beispiel für den Stand der Technik gezeigten Kurven von 6(a) und (b) heftige Temperaturveränderungen auftreten. Wenn auf diese Weise an der inneren Oberfläche des Behälterelements 16 heftige Temperaturveränderungen auftreten, tritt durch die Hochtemperatur-Kriechverformung eine derartige Verformung auf, dass von dieser Innenwandfläche Vorsprünge vorspringen. Genauer kommt es, wie in 10(a) gezeigt, bei einer Änderung der Innenwandfläche des Behälterelements 16 von einer niedrigen Temperatur zu einer hohen Temperatur zu einer Kompressionswärmebelastung und wird zur Abschwächung dieser Belastung eine Kriechverformung 20 erzeugt, die von der inneren Oberfläche des Behälterelements 16 ins Innere vorspringt. Da die zum vorspringenden Bereich 20 wandernden Wolframatome dabei hauptsächlich vom Mittelbereich 21 der Bodenfläche, der die höchste Temperatur aufweist, geliefert werden, wird, wie in 10(a) gezeigt, der periphere Bereich 20 der Bodenfläche verdickt und der Mittelbereich 21 der Bodenfläche verdünnt. Wenn diese Verdünnung des Bodenbereichs des Behälterelements 16 (des Elektrodenspitzenendes) fortschreitet, wird schließlich, wie in 10(b) gezeigt, eine Öffnung 22 so gebildet, dass sie den Boden 16a des Behälterelements 16 durchbohrt, und es besteht das Problem, dass es zu einem Auslaufen des geschmolzenen Wärmeüberträgers M kommt.
• Diese Erfindung soll angesichts der oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik eine Kurzbogenentladungslampe bereitstellen, bei der in einem dicht verschlossenen Raum der Elektrode ein Wärmeüberträger eingeschlossen ist, bei der aber bei Konvektion des Wärmeüberträgers, der beim Leuchten der Lampe geschmolzen ist, eine Drehung des Konvektionsstroms im Inneren des dicht verschlossenen Raums in der Umfangsrichtung unterdrückt wird und am Elektrodenspitzenende auch beim Leuchten für einen langen Zeitraum keine Öffnung entsteht.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist diese Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass im dicht verschlossenen Raum der Elektrode, in dem ein Wärmeüberträger eingeschlossen ist, ein Beschränkungskörper ausgebildet ist, der die Drehung des Wärmeüberträgers, der beim Leuchten der Lampe geschmolzen ist, in der Umfangsrichtung beschränkt.
• In einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Beschränkungskörper aus einem Plattenelement, das sich in der Längsrichtung der Elektrode erstreckt und in der radialen Richtung quer verläuft.
• Da bei der vorliegenden Erfindung im Inneren des dicht verschlossenen Raums der Elektrode ein plattenförmiger Beschränkungskörper ausgebildet ist, wird eine Drehung der Konvektion des Wärmeüberträgers, der beim Leuchten der Lampe geschmolzen ist, im dicht verschlossenen Raum in der Umfangsrichtung beschränkt bzw. verhindert und das Auftreten von Temperaturveränderungen an der gleichen Stelle der Elektrode infolge der Konvektionsbewegung verringert. Dadurch kommt es nicht zu einer Hochtemperatur-Kriechverformung aufgrund von Temperaturveränderungen, und es entsteht im Elektrodenspitzenende keine Öffnung.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den schematischen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
• 1 ist eine Schnittansicht einer Elektrode der Entladungslampe nach der vorliegenden Erfindung.
• 2 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform.
• 3 ist eine Schnittansicht nach einer anderen Ausführungsform.
• 4 ist eine Ansicht zur Erklärung der Wirkung der Ausführungsform von 1.
• 5 ist eine Ansicht zur Erklärung der Wirkung der Ausführungsform von 3.
• 6 ist ein Diagramm, das die Wirkung der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 7 ist eine Schnittansicht einer herkömmlichen Kurzbogenentladungslampe.
• 8 ist eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Elektrodenaufbau zeigt.
• 9 ist eine Ansicht zur Erklärung des Verhaltens der Konvektion des in 8 gezeigten geschmolzenen Wärmeüberträgers.
• 10 ist eine Ansicht zur Erklärung der Mängel der herkömmlichen Elektrode.
• 1 zeigt den Elektrodenaufbau einer Kurzbogenentladungslampe dieser Erfindung, wobei 1(a) ein Längsschnitt und 1(b) ein Querschnitt ist. In den Figuren weist eine Elektrode 12 einen Elektrodenhauptkörper 15 aus einem Behälterelement 16 und einem Deckelelement 17 auf und ist im Inneren dieses Elektrodenhauptkörpers 15 ein dicht verschlossener Raum 18 gebildet. In diesem dicht verschlossenen Raum 18 ist ein Wärmeüberträger M mit einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als jenem des Elektrodenmaterials wie etwa Wolfram eingeschlossen. Der Wärmeüberträger M besteht zum Beispiel aus einem Metall wie Gold oder Silber und weist einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Elektrodenmaterial auf, so dass er beim Leuchten der Lampe im Inneren des dicht verschlossenen Raums 18 schmilzt.
• In den dicht verschlossenen Raum 18 der Elektrode 12 ist ein plattenförmiger Beschränkungskörper 2 eingesetzt. Dieser Beschränkungskörper 2 ist so ausgebildet, dass er ungefähr auf der Mittelachse des dicht verschlossenen Raums 18 in der Längsrichtung sowie in der radialen Richtung quer verläuft, und weist ungefähr die gleiche Abmessung wie der Innendurchmesser des dicht verschlossenen Raums 18 der Elektrode 12 auf. Der Beschränkungskörper 2 muss aber nicht im strengen Sinn auf der Mittelachse der Elektrode 12 positioniert sein. Es ist übrigens auch nicht nötig, dass der Beschränkungskörper 2 ungefähr die gleiche Abmessung wie der Innendurchmesser des dicht verschlossenen Raums 18 der Elektrode 12 aufweist. Wie in 2(a) und 2(b) gezeigt, kann er auch kürzer als diese Länge sein. In einem solchen Fall ist es nötig, den Beschränkungskörper 2 in einer bestimmten Anordnung und an einer bestimmten Position im Inneren des dicht verschlossenen Raums 18 zu halten, und, wie in 2(b) gezeigt, ist, ist ein entlang der Innenform des dicht verschlossenen Raums 18 verlaufendes kreisbogenförmiges Haltestück 1a ausgebildet und wird der Beschränkungskörper 2 durch dieses kreisbogenförmige Haltestück 2a gehalten. Das Halten des Beschränkungskörpers 2 ist jedoch nicht darauf beschränkt, und er kann auch zum Beispiel durch Laserschweißen direkt am Elektrodenhauptkörper 15 fixiert werden.
• In 3 ist eine andere Ausführungsform gezeigt. Hier besteht der Beschränkungskörper 2 aus einem Paar von Plattenelementen 3, 4, die einander kreuzen. Auch diese Plattenelemente 3, 4 sind so ausgeführt, dass sie sich in der Längsrichtung der Elektrode 12 erstrecken und in der radialen Richtung quer verlaufen. Bei dieser Ausführungsform ist die Abmessung in der Längsrichtung zumindest eines der Plattenelemente 3, 4 kürzer als die Höhe des eingeschlossenen Wärmeüberträgers M eingerichtet.
• Die Wirkung der obigen Ausführungsformen wird anhand von 4 und 5 erklärt. 4 ist eine schematische erklärende Ansicht der Wirkung der Ausführungsform von 1. Eine Bewegung der Konvektion F des geschmolzenen Wärmeüberträgers M im dicht verschlossenen Raum 18 in der Umfangsrichtung wird durch den plattenförmigen Beschränkungskörper 2 beschränkt, und es kommt zu einem Konvektionsfluss innerhalb der Flächen entlang des Beschränkungskörpers 2. Was die Ausführungsform von 2 betrifft, lässt sich leicht verstehen, dass die Wirkung der Erklärung der Wirkung von 4 gleich ist.
• 5 ist eine schematische erklärende Ansicht der Wirkung der Ausführungsform von 3. Die Konvektion F1 des geschmolzenen Wärmeüberträgers M steigt von dem Raum A, der von den zwei Plattenelementen 3, 4, die den Beschränkungskörper 2 bilden, umgeben ist, entlang des Plattenelements 3 hoch, überquert das Plattenelement 4 und fließt in den Raum 8 und wird zu einem Abwärtsfluss. Eine Bewegung dieser Konvektion F1 in der Umfangsrichtung wird durch das Plattenelement beschränkt, und die Konvektion wird entlang des Plattenelements als Konvektion F1 aufrechterhalten. In den Räumen C und D, die sich in Bezug auf das Plattenelement 3 an der entgegengesetzten Seite befinden, wird eine gleichartige Konvektion F2 gebildet.
• Bei dieser Ausführungsform besteht keine Beschränkung auf die in der Figur gezeigten Konvektionsrichtungen; es kann auch zu einer Konvektion, die vom Raum A in den Raum C fließt, und einer Konvektion, die vom Raum B in den Raum D fließt, kommen. Welche davon auftritt, hängt vor Zustand der Konvektion des geschmolzenen Wärmeüberträgers zum entsprechenden Zeitpunkt ab. Doch in allen Fällen wird die Konvektion, sobald sie einmal bestimmt wurde, durch die Plattenelemente 3, 4, die den Beschränkungskörper 2 bilden, aufrechterhalten, und es kommt im inneren des dicht verschlossenen Raums 18 nicht zu einer Bewegung in der Umfangsrichtung.
• Zur Bestätigung der Wirkung der vorliegenden Erfindung wurde der nachstehende Versuch vorgenommen.
• Die Spezifikationen der Lampen lauteten wie folgt:
• Leuchtröhre:
• Material: Quarzglas
• Innenvolumen: 550 cm³
• Elektrodenabstand: 6 mm
• Füllsubstanzen: 2,0 mg/cm³ Quecksilber, 100 kPa Argon
• Anode:
• Material: Wolfram
• Außendurchmesser des Rumpfs (des Behälterelements): 25 mm
• Volumen des Elektrodenhauptkörpers: 6 cm³
• Dicke: 5,5 mm
• Wärmeüberträger: 4,7 cm³ Silber
• Füllgas: 100 kPa Argon
• Kathode:
• Material: thoriumhaltiges Wolfram (thoriertes Wolfram), Thoriumgehalt: 2 Gew.-%
• Standards:
• Nennstrom: 150 A
• Nennleistung: 5 kW
• Anschließend wurden eine Lampe mit einem Elektrodenaufbau nach dem Stand der Technik und zwei erfindungsgemäße Elektrodenaufbauten, das heißt, eine Lampe A mit dem Elektrodenaufbau von 1 und eine Lampe B mit dem Elektrodenaufbau von 3, angefertigt.
• Beschränkungskörper:
• Material: Wolfram
• Abmessungen: Dicke 200 μm, Höhe 15 mm
• Diese Lampen wurden senkrecht betrieben, wobei die Anode oben lag. Mit einem Strahlungsthermometer wurde die Elektrodenoberflächentemperatur an einer Stelle, die sich entlang der Elektrodenachse 10 mm über der Anodenspitzenendfläche befand, drei Minuten lang gemessen und die Temperaturschwankungsbreite (Höchstwert-Mindestwert) aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Wie aus diesen Diagrammen ersichtlich ist, beträgt die Temperaturschwankungsbreite bei der Lampe A 9°C und bei der Lampe B 6°C. Damit ist die Schwankungsbreite bei beiden Lampen viel geringer als die Temperaturschwankungsbreite von 60°C bei der herkömmlichen Lampe.
• Außerdem wurden diese Lampen 750 Stunden zum Leuchten gebracht, wonach ein Schnitt entlang einer Schnittfläche, die durch die Anodenmittelachse verlief, vorgenommen wurde und die Dicke des Mittelbereichs ihres Spitzenendes mit einem Mikroskop gemessen wurde. Die Ergebnisse sind zusammen mit der obigen Temperaturschwankungsbreite in Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1

  	Temperaturschwankungsbreite (°C)	Dicke des Anodenspitzenendes nach 750 Stunden Leuchten (mm)	Abnahme der Dicke (mm)
  herkömmliche Lampe	60	3,0	2,5
  Lampe A	9	4,3	1,2
  Lampe B	6	4,5	1,0

• Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, betrug die Dicke, die anfänglich 5,5 mm war, bei der herkömmlichen Lampe 3,0 mm und die Abnahme der Dicke 2,5 mm, während im Gegensatz dazu die Abnahme der Dicke bei der Lampe A der vorliegenden Erfindung 1,2 mm und bei der Lampe B der vorliegenden Erfindung 1,0 mm betrug, so dass eine deutliche Verbesserung erkannt wurde.
• Nach der vorliegenden Erfindung ist bei einer Kurzbogenentladungslampe, die eine Elektrode aufweist, bei der im dicht verschlossenen Raum des Elektrodenhauptkörpers ein Wärmeüberträger eingeschlossen ist, wie oben beschrieben im dicht verschlossenen Raum dieser Elektrode ein Beschränkungskörper angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass sich der Konvektionsstrom des beim Leuchten geschmolzenen Wärmeüberträgers in der Umfangsrichtung des dicht verschlossenen Raums der Elektrode dreht, wird die Konvektion stets an der gleichen Stelle aufrechterhalten, kommt es nicht zu Temperaturschwankungen an einer Stelle der Elektrode, entsteht keine Hochtemperatur-Kriechverformung und wird der unvorhersagbare Umstand der Bildung einer Öffnung im Elektrodenspitzenende verhindert.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 2004-6246 A [0003]

Claims (4)

1. Kurzbogenentladungslampe, bei der im Inneren einer Leuchtröhre ein Paar Elektroden vorhanden ist und in einem dicht verschlossenen Raum zumindest einer Elektrode ein Wärmeüberträger eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im dicht verschlossenen Raum ein Beschränkungskörper ausgebildet ist, der eine Drehung der Konvektion des geschmolzenen Wärmeüberträgers in der Umfangsrichtung beschränkt.
2. Kurzbogenentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschränkungskörper aus einem Plattenelement besteht, das sich im dicht verschlossenen Raum in der Längsrichtung der Elektrode erstreckt und in der radialen Richtung quer verläuft.
3. Kurzbogenentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement so angeordnet ist, dass es auf der Mittelachse der Elektrode verläuft.
4. Kurzbogenentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschränkungskörper aus zwei einander kreuzenden Plattenelementen besteht.

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