短弧灯

本实用新型涉及一种根据权利要求1之前序部分的短弧灯。具体 而言，本实用新型涉及一种大功率的氙气短弧灯。此外，本实用新型 还可与其它象水银短弧灯这样的短弧灯一起使用。具体而言，本实用 新型可被应用于阳极直径较大的直流灯上。最佳的应用是在用于静止 图象领域(例如大图象的幻灯片)和数字投影技术的放电灯，其中， 因为胶片不移动，因此可以明显感觉到电弧的移动。

目前，有关电弧不稳定性的问题基本被认为是一种电极现象。迄 今为止，人们仅仅试图到一种适合于放电并尽可能有利于流动的电 极形状(US-A5818169)。但是，在这种情况下，并未考虑灯泡内涡 旋的逆流。充填气体(氙、氪或氩)或蒸汽(汞或另一种金属)流动 内的动能并没有通过有利于流动的电极形状而减小，而且由气体反向 流动而产生的对放电弧的涡流干扰也没有得以消除。

到目前为止，用于减小电弧不稳定性的措施列举如下：

-在增加电弧间距的同时，减小充填压力，从而用相同的电流得 到相同的灯电压。但是，对于光学照相领域而言，具有尽可能小的电 弧间距是很重要的，目的是模拟尽可能呈点状的光源。

-减小电流，因为当电流越小时，气体的涡流也越小。但是，在 这种情况下，辐射通量也要减小，这一点很不利。

-使电灯沿垂直的燃烧位置工作，同时阳极设置于顶部。这样就 在很大程度上限制了应用范围。

然而，所有这些措施都是为了应付紊流地后果，而不是从一开始 就防止紊流发生。

本实用新型的目的在于提供一种属于权利要求1之前序部分所述 类型的但显示出电弧不稳定性非常低(很高电弧稳定性)的短弧灯。

该目的可由权利要求1的特征部分方案来实现。更为有利的改进 如从属权利要求所述的特征方案。

本实用新型主要适用于氙气短弧灯，尤其适用于低温充填压力大 于5巴的短弧灯。本实用新型的短弧灯不仅可位于垂直的燃弧位置 上，而且还可位于水平及具有所需倾角的燃弧位置上。本实用新型尤 其适合应用于直流(DC)电灯的阳极上，而且其原理还可应用于给定 的高瓦特数的阴极上。

理想的电弧能够在没有位移的前提下稳定燃烧。但是，实际上， 电弧还是要受到充填气体之运动的影响。在这种情况下，主要产生两 个力：

1、自然对流向上挤压电弧。

2、电弧上特定的电流密度分配及其自感磁场在直流电灯内会导 致一沿阳极方向的强烈等离子体加速。这样，所产生的轴向气流就会 撞击阳极的正面(前侧)并在阳极的侧向表面上偏转。为此，至少在 阳极之正面的外部区域内应该被制造成锥形。

使气体加速的主要力量就是电弧内的电磁力。当气流围绕阳极流 动时，就会产生层流和紊流。在阳极的下游，流动的充填介质(充填 气体或蒸汽)撞击灯泡的端部并倒转其运动方向。这种逆流沿灯泡壁 产生并通过灯泡的弯曲部分朝阴极的方向转向。这样，就在灯泡内产 生了一填充介质(氙)的恒流，该恒流在靠近电灯轴线处被沿阳极的 方向导引和在靠近灯泡壁处被朝阴极的方向导向。在该恒流上的叠加 部分就是对流，在水平燃烧位置或略微倾斜的燃烧位置上，该对流部 分将沿其垂直方向使气体转向。

电弧的不稳定性以两种方式受这些气流的影响：

1、充填介质内的紊流与电弧等离子区相互作用并产生不稳定的 燃烧状态。

2、电弧发出的光在穿过灯泡壁离开灯泡之前必须穿过气体的体 积。由于气体的高密度及气体内的紊流，从而使气体体积内的折射率 产生剧烈的波动。这就使所发出的光产生很大的偏移。

本实用新型使充填介质流(具体而言，可以是氙和/或汞)对电 弧的负面影响减至最小，从而改善电灯的电弧不稳定性。

上述的(影响)作用对于以下情况干扰愈明显：

-较大的电弧间距(＞2mm，一般为3至10mm)；

-高充填压力(＞5巴的惰性气体低温充填压力，或＞15巴的充填介 质工作压力)；

-大电流(＞50A)。

从实验中得出下述重要的影响变量。这些措施目的是使灯泡内的 电弧和所发出的光暴露给气体紊流尽可能的小的情况。除了电弧在灯 泡内的合适位置外，气流的能量是一个重要的变量。气流动能的增加 也会增加对电弧的影响。

本实用新型采用具有一定形状的阳极(如果是大功率灯，阴极也 可采用这样的造型)，目的是减小充填介质的动能。

如果阳极的直径在前部电弧连接表面的下游变小，那么就会有一 个凸起(凸出部分)在该位置上使充填介质产生涡流。这些流动在这 一涡流中基本损失了其能量。在阳极侧面的后部区域内，充填介质以 层流方式和低动能流开。这样，就能够保持电弧的不稳定性在电灯的 整个寿命内都很微弱。

具体而言，阳极被设计成使具有两个端面的圆柱形发弧本体支承 在一根轴上的形式。阳极在放电侧设有一前表面，该前表面通常被制 造成一个锥缩成尖端或凸台的前部。避开放电的端面(后表面)基本 为平面状。发弧本体在其前半部分上设置有一凸起或凸出部分。发弧 本体的横截面可以是圆形，也可以是椭圆形或类似形状。

阳极最好具有一圆锥形渐缩的或弯曲形状(例如半球形)的前 部，其尖端带有一凸台或者不包括凸台，凸出部分最好被直接构成于 发弧本体和前部之间的交界处。但是，凸出部分也可被设置于发弧本 体前半部分上更偏向下游的位置上。在侧面上长度为0.5mm的凸出部 分已经足以产生涡流，而较小的凸出部分则具有非常小的效果。最 后，可由阳极制造过程中材料的消耗来确定(其长度的)实际上限。 因此，该凸出部分不应该超过5mm的长度，因为材料必须被消除(例 如通过车削)。另一可选择的方案是由多个部分组成的阳极，所述凸 出部分属于正对放电的第一部分，而发弧本体的其它部分形成一第二 部分。

阳极在发弧本体后半部分的标准直径介于约10到30mm的范围 内。发弧本体在凸出部分下游侧的直径可以是一个常量也可以略有变 化(尤其可以被加工成锥形)。

所述凸起最好具有两个直线延伸的或曲线形式的边缘。两个边缘 之间最好为锐角(＜60°，具体而言＜45°)，这样就能够可靠地产生消 耗能量的涡流。因此，凸起的径向长度可以非常小。该凸起可被设计 成V形或锯齿形，或者其它被倒圆的形状。

下面，结合最佳实施例说明其它特征：

当阳极的前表面(或阳极凸台)、大体定位于灯泡的中部(沿轴 向最多有±5mm的偏差)时，电弧在灯泡内的位置是最佳的。此外，该 阳极凸台沿轴向被移至灯泡中心线之外越远，则电弧受强烈涡流区域 和不同折射率的影响越明显。根据灯泡的功率，建议最大偏差在该放 电体积的总轴向长度的3％的范围内。

如果选择阳极的直径大于现有技术的直径，那么就可能在阳极锥 形区域内已经形成另外一个使流动损失很大能量的涡流。如果规定直 径D的单位为mm，电流I的单位为安培，那么为形成这种附加涡流， 0.1＜D/I＜0.3的比率(具体为0.25＞D/I＞0.15)证明是比较有利的。

为进一步改善电弧的不稳定性，已经证明使用其它措施也有很好 的效果，这些措施包括在灯泡结构方面的一些公知的基本应用，例如 在阳极侧面设置一些孔(DE-T976223和US-A3474278)，或在阳极侧 面上设置沟槽或凹槽(DE-A19749908)，或在阳极的轴上设置金属丝， 这些措施本身都是公知的，但迄今为止还没有出于从环绕的气流中抽 出动能的目的来应用这些措施的情况。

现结合多个实施例，详细说明本实用新型。在附图中：

图1为放电灯的剖视图；

图2详细示出了放电灯的阳极；

图3示出了阳极的另一实施例；

图4为示出与传统灯泡相比根据本实用新型之放电灯的流动关系 示意图。

在图1中示意性示出的是一个被用作发射光源的直流氙气短弧灯 其功率为3000W。由石英玻璃制成的圆筒形放电室2内充入氙气(对应 于40至50巴的工作压力，其低温充填压力为11巴)。一阳极3和一阴 极4沿轴向以约4mm的间距被设置于放电室内。每个电极3和4都设置有 一轴5。电力供给通过钼箔6得以实现，钼箔6通过销子被向外导至金 属壳帽7。钼箔6以真空密封的形式被封闭在放电室的两个端部8内。 也可以用其它技术例如杆状密封件或杯状密封件(bar seal or cup seal)替代上述密封形式。

阳极3是一个由钨制成的实心圆柱体。第一实施例具体如图2所 示。该阳极设有一头部分10、一发弧本体12和一后表面13，其中头部 分10包括一前部11。前部11设置有一用于电弧的中央连接表面14和一 个外部区域15，外部区域15以锥形向外延伸至发弧本体12的外壁16。 发弧(generated)本体12的直径为21mm。在前部和发弧本体之间的 连接区域延伸的是一个环形凸出部分20，该环形凸出部分的截面为V 形，其径向长度X约为0.5mm，从而使阳极的最大直径总体为22mm。凸 出部分20设置有两个相交于一个锐边17处并形成一个约60°锐角的边 缘18a、18b。

阳极头部10的总长度约为28mm。后表面13类似地用一个小斜面19 与发弧本体12相连。

上述类型的短弧灯及一个整体上与其相似的大功率短弧灯的额 定电流I、阳极发弧本体的外径D及比率D/I见下表。

当比率D/I介于0.1与0.3之间时，具体而言当其介于0.15和0.25 之间时，在前部11的锥形外部区域15内将形成另一涡流。这样，就使 能量消耗更加有效。

图3示出了凸出部分的另一种合适的形式，具体地说，图3a示出 了一个锯齿形的凸出部分23，该凸出部分设有一锥形的第一边缘24a 和一第二边缘24b，第二边缘24b垂直于阳极22的轴线。图3b示出了一 个具有凸出部分28形式的阳极27，该凸出部分包括一曲线形的第二边 缘29b。图3c示出了另一种形式的阳极33，其中，被倒圆的凸出部分 34(半拱形)被置于发弧本体35上相对较靠后的位置上(约位于其长 度的30％处)，图3d示出了一种具有多个V形凸出部分37a、37b和37c 的阳极36，V形凸出部分37a、37b和37c的尺寸从前向后逐渐减小。

图4a示出了具有椭圆形放电室38之短弧灯内的流动关系示意 图。从图中可清楚地看到：充填介质的流动E冲击阳极的前部11，并 从那里被凸出部分20导向阳极(A)的发弧本体12。由于流动的速度 非常高，因此这些流动将沿远离在电极之间延伸的电弧C之方向被导 向灯泡的端部8，而且其具有较窄的宽度。具体而言，流动(A)可以 层流方式通过发弧本体。流动(F)在灯泡端部8处偏转并散开，充填 介质将沿弯曲的灯泡壁39在一较宽的区域(B)回流。

由于阳极的前部11被大体定位于放电室38的中部M，因此充填介 质将借助于灯泡壁的弯曲部分被导向(G)阴极的轴，但不会干涉电 弧C的区域。而且电弧的光线L也能够在没有被影响的情况下向外发 出。充填介质沿(D)阴极的轴朝向电弧区域流动。

通过对比可看出，在阳极的前部11设置于中部M之外的情况下， 图4b所示的结构也具有使充填介质在电弧C的区域内沿轴线流动的效 果。垂直电灯轴线的流速分量使电弧向旁边流动(干涉紊流的情况 下)并提高了气体的密度。这两种效果都降低了电弧的稳定性。