Beschreibung

Dielektrische Barriere-Entladungslampe mit Haltescheibe

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer dielektrischen Barriere- Entladungslampe mit einem ein Entladungsmedium umfassenden rohrförmigen Entladungsgefäß.

Diese Art von Entladungslampen weist typischerweise eine erste längliche Elektrode auf, die innerhalb des rohrförmigen Entladungsgefäßes angeordnet ist - im Folgenden auch Innenelektrode genannt -, sowie eine zweite längliche Elektrode, die üblicherweise auf der Außenseite des rohrförmigen Entladungsgefäßes angeordnet ist - im Folgenden auch Außenelektrode genannt.

Falls die Innenelektrode in direktem Kontakt mit dem Entladungsmedium steht, handelt es sich um eine einseitig dielektrisch behinderte Entladung, da dann nur die Außen- elektrode durch die Wand des Entladungsgefäßes dielektrisch behindert ist. Falls die Innenelektrode ebenfalls durch ein Dielektrikum von dem Entladungsmedium getrennt ist, handelt es sich um eine zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Innenelektrode innerhalb eines Innenrohrs angeordnet ist. Das Innenrohr ist koaxial innerhalb des rohrförmigen Entladungsgefäßes angeordnet. Mit anderen Worten weist das Entladungsgefäß in dieser so genannten koaxialen Doppelrohranordnung ein in- nerhalb eines Außenrohrs koaxial angeordnetes Innenrohr auf, wobei beide Rohre an ihren beiden Stirnseiten miteinander verbunden sind und so das gasdichte Entladungsgefäß bilden. Der vom Entladungsgefäß umschlossene Entla-

dungsraum erstreckt sich in diesem Fall also zwischen Innen- und Außenrohr.

In jedem Fall ist für einen effizienten Lampenbetrieb eine konstante Schlagweite zwischen Außen- und Innenelekt- rode längs der rohrförmigen dielektrischen Barriere- Entladungslampe sicher zu stellen, um - entlang der Lampenlängsachse und des Lampenumfangs betrachtet - eine gleichförmige Entladung und folglich Strahlungsdichte zu erreichen. Deshalb muss die Innenelektrode und gegebenen- falls das Innenrohr möglichst zentrisch innerhalb des Außenrohrs angeordnet sein. Insbesondere bei langen Lampen besteht zudem das Problem des Durchhängens der Innenelektrode bzw. gegebenenfalls des Innenrohrs, da letzteres naturgemäß einen kleineren Durchmesser hat als das Außenrohr. Im Extremfall kann dies, beispielsweise beim Transport, zur Beschädigung der Lampe führen.

Anwendung findet dieser Lampentyp insbesondere für die UV-Bestrahlung in der Prozesstechnik, beispielsweise für die Oberflächenreinigung und -aktivierung, Photolytik, Ozonerzeugung, Trinkwasserreinigung, Metallisierung, und UV-Härten. In diesem Zusammenhang ist auch die Bezeichnung Strahler oder UV-Strahler gebräuchlich.

Stand der Technik

In der Schrift EP 1 147 535 Bl ist eine einseitig dielektrisch behinderte Entladungslampe offenbart. Dabei ist eine erste wendeiförmige Innenelektrode 6 auf ein Innenrohr 9 gewickelt (siehe dort Fig. 1) . Das Innenrohr 9 ist koaxial innerhalb eines Außenrohres 3 angeordnet, auf dessen Außenseite streifenförmige Außenelektroden 7 pa-

rallel zueinander und mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Zur Stützung des Innenrohrs 9 wird beispielsweise eine Haltescheibe 15 vorgeschlagen, die über die Innenelektrode 6 geschoben ist. über eine an sich notwen- dige Befestigung der Haltescheibe 15 an der Innenseite des Außenrohres 3 findet sich keine Offenbarung.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine rohr- förmige dielektrische Barrieren-Entladungslampe mit einer verbesserten Halterung für die Innenelektrode bzw. gege- benenfalls das die Innenelektrode umgebende Innenrohr anzugeben .

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine dielektrische Barrieren-Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das ein Außenrohr aufweist, welches einen mit einem Entladungsme- dium gefüllten Entladungsraum umschließt, einer Außenelektrode, die auf der Außenseite des Außenrohrs angeordnet ist, einer länglichen Innenelektrode, die innerhalb des Außenrohrs axial angeordnet ist, zumindest einer Haltescheibe mit einer axialen Bohrung, durch die hindurch die längliche Innenelektrode verläuft, wobei sich die Haltescheibe im wesentlichen von der Innenelektrode bis zur Innenseite des Außenrohrs erstreckt, wodurch die Innenelektrode zumindest mittelbar innerhalb des Entladungsgefäßes zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltescheibe mittels eines linksseitigen Stützmittels und eines rechtsseitigen Stützmittels in Richtung des Längsachse beidseitig lose gestützt ist.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Haltescheibe für die Zentrierung der Innenelektrode bzw. gege- benenfalls des Innenrohrs nicht fest mit dem Entladungsgefäß zu verbinden sondern nur lose beidseitig zu stützen, um dadurch ein Verrutschen der Haltescheibe entlang der Lampenlängsachse zuverlässig zu verhindern.

Die Erfinder haben nämlich gefunden, dass eine starre Verbindung zwischen Haltescheibe und Entladungsgefäß einige Nachteile hat. So hat es sich gezeigt, dass Spannungen und/oder Risse in der Haltescheibe, die entweder bereits bei der Herstellung der Haltescheibe oder im Verlaufe des Lampenbetriebs durch Solarisation entstehen, sich auf das Entladungsgefäß ausdehnen und zu dessen mechanischer Zerstörung führen können. Außerdem verformt sich das Entladungsgefäß beim direkten Verschweißen mit der Haltescheibe. An der Verbindungsstelle ist das Material des Entladungsgefäßes, das wegen der erforderlich guten Transparenz für elektromagnetische Strahlung im Ultraviolett-Bereich üblicherweise aus Quarzglas besteht, geschwächt. Bei mechanischer Belastung, beispielsweise durch Stöße beim Transport oder durch Schwingungen beim Betrieb der Entladungslampe, wirkt diese lokale Schwä- chung des Quarzglases wie eine Sollbruchstelle, was schlussendlich zum Bruch des Entladungsgefäßes führen kann. Auch der Versuch des Anpunktens der Haltescheibe am Außen- oder, sofern vorhanden, am Innenrohr des Entladungsgefäßes hat zu keinen befriedigenden Ergebnissen ge- führt. Zwar lassen sich durch das Anpunkten die Beeinträchtigungen des Entladungsgefäßes in akzeptablen Gren-

zen halten. Allerdings lösen sich die Schweißpunkte bei Belastung, so dass eine dauerhafte Befestigung der Haltescheibe durch Anpunkten nicht gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß sind pro Haltescheibe zwei Stützmittel vorgesehen, die die Haltescheibe beiderseits nur lose stützen, um ein axiales Verrutschen zu verhindern.

Im einfachsten Fall besteht ein Stützmittel nur aus einer Materialperle, die beispielsweise auf dem Innenrohr oder gegebenenfalls auch nur einem Innenrohrstück aufgebracht ist. In diesem Fall ist die Haltescheibe nur zwischen zwei Materialperlen angeordnet. Es kann auch vorteilhaft sein, pro Seite mehr als eine Materialperle vorzusehen, insbesondere gleichmäßig im Umfang verteilt angeordnet. Entscheidend ist, das der jeweilige Abstand A zwischen links- und entsprechender rechtsseitiger Materialperle größer als die Dicke D der Haltescheibe ist, damit die Haltescheibe lose gelagert ist. Zumindest sollte der Spielraum A-D größer als die thermische Ausdehnung der Materialien sein, damit die anfangs lose Haltescheibe durch Erwärmung während der Herstellung oder des Lampenbetriebs nicht eingeklemmt wird und dann doch unerwünschte Spannungen auftreten. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn folgende Beziehung zwischen dem gegenseitigen Abstand A der beiden Stützmit- tel und der Dicke D der Haltescheibe gilt:

A = D + — , (1) x

wobei 0,1 <x< 1000, insbesondere 1 < x < 250. Damit ist gewährleistet, dass einerseits die Haltescheibe gegenüber den Stützmitteln lose bleibt und folglich keine Spannun-

gen von der Haltescheibe übertragen werden können. Andererseits ist es fertigungstechnisch noch möglich die Materialperlen entsprechend anzuordnen. Unter Berücksichtigung der üblichen Fertigungstoleranzen hat sich bei- spielsweise ein Spielraum A-D von typisch ca. 1 mm als praktikable erwiesen. Die Dicke D der Haltescheibe sollte einerseits möglichst gering sein, um die elektrischen und optischen Eigenschaften der Lampe möglichst wenig zu stören. Andererseits muss die Haltescheibe ausreichend me- chanisch stabil sein. Erfahrungsgemäß ist bei einer entsprechenden Haltescheibe aus Quarzglas eine Dicke D von ca. 1 bis einige wenige Millimeter, z.B. 2 mm, ausreichend.

Prinzipiell können die erfindungsgemäßen Stützmittel so- wohl an der Innenseite des Außenrohrs als auch auf der Außenseite des Innenrohrs, sofern vorhanden, befestigt sein. Allerdings ist der letztere Fall bevorzugt, da es fertigungstechnisch einfacher ist, die Stützmittel auf der Außenseite des Innenrohrs anzubringen, da die Innen- seite des Außenrohrs schlechter zugänglich ist, zumal im Mittenbereich des Rohrs. Dabei wird zunächst eine Materialperle auf der Außenseite des Innenrohrs angebracht oder mehrere Materialperlen kreisförmig auf dem Umfang des Innenrohrs verteilt. Danach wird die Haltescheibe aufge- steckt und schließlich nach der Scheibe wieder eine oder mehrere Materialperlen auf der Außenseite des Innenrohrs angebracht und zwar im geeigneten Abstand zu den Materialperlen auf der anderen Seite. Dadurch wird sichergestellt, dass die Haltescheibe durch die Materialperlen nur gegenüber einem Verrutschen gestützt wird, aber nahezu ohne dadurch Spannungen zu übertragen.

Bevorzugt wird nach dem Aufstecken der Haltescheibe noch ein Stützring aufgesteckt und dann erst der oder die abschließenden Materialperlen angebracht. Der Stützring hat den Vorteil, dass die Haltescheibe beim Anbringen der Ma- terialperle (n) , beispielsweise beim Anschweißen einer Quarzperle auf eine Quarzrohr, einen größeren Abstand von der Stelle der Wärmeeinbringung hat und damit weniger stark thermisch belastet wird. Insofern ist auf der anderen Seite der Haltescheibe kein Stützring notwendig, so- lange das Aufstecken der Haltescheibe erst nach dem Anschweißen der Materialperle (n) erfolgt. In einer zeitsparenden fertigungstechnischen Variante erfolgen die Anschweißungen der Materialperlen zu beiden Seiten der Haltescheibe gleichzeitig. Hier ist vorzugsweise zu beiden Seiten der Haltescheibe jeweils ein Stützring vorgesehen.

Generell kann ein Stützring entweder lose auf dem Innenrohr lagern und durch mindestens eine Materialperle lediglich gegen ein Verrutschen in Längsachsrichtung weg von der Haltescheibe gesichert sein. Allerdings kann der relativ lose Stützring unter Umständen gegen die mindestens eine Materialperle stoßen und diese mechanisch beschädigen. Um dieses mögliche Problem von vornherein auszuschließen kann der Stützring alternativ auch direkt an das Innenrohr angepunktet sein. Insofern soll der Begriff Materialperle so allgemein zu verstehen sein, dass er auch die für das Anpunkten charakteristischen Schweißpunkte mit umfasst. Im letztern Fall ist der Stützring also über mindestens einer Materialperle mit dem Rohr fest verbunden.

Ein weiterer Vorteil des Stützrings ist in jedem Fall die gleichmäßige Kraftverteilung auf die Befestigung bzw. Fi-

xierung bei Bewegung der Haltescheibe. Durch den Stützring wird nämlich die mechanische Belastung der einzelnen Materialperle (n) verringert.

Der Stützring kann auch einen Schlitz aufweisen oder aus zwei oder mehr Segmenten bestehen. Gegebenenfalls ist jedes Segment des Stützrings einzeln angepunktet, d.h. mit einer an das Rohr angebrachten Materialperle verbunden.

Um den Strömungswiderstand beim Evakuieren und anschließenden Befüllen des Entladungsraumes der dielektrischen Barriere-Entladungslampe möglichst gering zu halten, ist die Haltescheibe bevorzugt mit einer oder mehreren öffnungen, beispielsweise Bohrungen oder Aussparungen, versehen .

Haltering und Stützring sind aus einem elektrisch isolie- renden Material gefertigt, vorzugsweise aus einem Isoliermaterial, das gegenüber Ultraviolett-Strahlung weitgehend resistent ist, beispielsweise Quarzglas, Keramik oder ähnlichem.

Der Stützring hat bevorzugt eine Stärke S im Bereich zwi- sehen ca. 0,5 mm und 3 mm. Die Breite B des Stützrings liegt vorzugsweise im Bereich zwischen ca. 2 mm und 6 mm.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

Fig. Ia eine Längsschnittsdarstellung einer erfindungs- gemäßen dielektrischen Barriere-Entladungslampe,

Fig. Ib eine Querschnittsdarstellung der Lampe aus Fig. Ia,

Fig. 2a eine Ausschnittsvergrößerung einer Variante der Lampe aus Fig. Ia,

Fig. 2b eine Längsschnittsdarstellung des Stützrings in Fig. 2a,

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung einer weiteren Variante der Lampe aus Fig. Ia.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche EIe- mente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figuren Ia und Ib zeigen in stark schematisierter Darstellung eine Längsschnitt- bzw. eine Querschnittsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen dielelektrischen Barrieren-Entladungs- lampe 1. Das längliche Entladungsgefäß der Lampe 1 besteht aus einem Außenrohr 2 und einem Innenrohr 3 in koaxialer Doppelrohranordnung, die so die Längsachse des Entladungsgefäßes definieren. Die typische Länge L der Rohre beträgt je nach Anwendung zwischen ca. 10 und 250 cm. Das Außenrohr 2 hat einen Durchmesser von 44 mm und eine Wandstärke von 2 mm. Das Innenrohr 3 hat einen Durchmesser von 20 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Die radiale Ausdehnung der Entladung zwischen Innen- und Außenelektrode beträgt so ca. 10 mm ([44 mm - 2 mal 2 mm - 20 mm] /2) . Beide Rohre 2, 3 bestehen aus für UV-Strahlung durchlässigem Quarzglas. Außerdem ist das Entladungsgefäß an seinen beiden Stirnseiten derart verschlossen, dass

ein länglicher, ringspaltförmiger Entladungsraum 4 gebildet ist. Zu diesem Zweck weist das Entladungsgefäß an seinen beiden Enden jeweils geeignet geformte, ringartige Gefäßabschnitte 5 auf. Außerdem ist an einem der Gefäßab- schnitte 5 ein Pumprohr (nicht dargestellt) angesetzt, mit Hilfe dessen der Entladungsraum 4 zunächst evakuiert und anschließend mit 15 kPa Xenon gefüllt wird. Auf der Außenseite der Wand des Außenrohrs 2 ist ein Drahtnetz 6 aufgezogen, das die Außenelektrode der Lampe 1 bildet. Im Inneren des Innenrohrs 3 ist ein metallischer Gewebeschlauch 7 aus VA angeordnet, der als Innenelektrode fungiert. Ungefähr in der Mitte des Entladungsgefäßes ist eine Haltescheibe 8 aus Quarzglas mit einer Dicke D von 2 mm lose angeordnet. Die Haltescheibe 8 weist eine zent- rische Bohrung auf derart, dass sie sich gut auf das Innenrohr 3 aufschieben lässt. Außerdem ist die Haltescheibe 8 mit vier Bohrungen 81 - 84 versehen, um den Strömungswiderstand beim Evakuieren und anschließenden Befül- len des Entladungsraumes 4 möglichst gering zu halten. Links und rechts der Haltescheibe 8 sind je drei Quarzglasperlen 9a-9c, 1Oa-IOc an die Oberfläche des Innenrohrs 3 angefügt. Auf jeder Seite sind die Quarzglasperlen auf dem Umfang des Innenrohrs kreisförmig gleichmäßig verteilt, d.h. im Winkelabstand von 120° angeordnet (sie- he Fig. Ib) . Der Abstand A zwischen den drei Quarzglasperlen 9a-9c auf der einen Seite und den Quarzglasperlen 1Oa-IOc auf der anderen Seite beträgt ca. 3 mm, so dass für die dazwischen angeordnete Haltescheibe 8 noch ein Spielraum von ungefähr A-D = 1 mm bleibt. Entspre- chend der Beziehung (1) folgt daraus für den Parameter x (x = D/ [A-D] ) der Wert 2. Der Durchmesser der Haltescheibe 8 ist etwa 1 mm kleiner als der Innendurchmesser des

Außenrohrs 2, so dass noch etwas Spielraum bleibt und sich das Außenrohr 2 problemlos über das Innenrohr 3 mit Haltescheibe 8 schieben lässt.

In der Figur 2a ist eine Teilansicht einer Variante dar- gestellt. Gezeigt ist nur der Mittenbereich der Lampe 1' mit der Haltescheibe 8 und den beidseitigen Stützmitteln. Rechts von der Haltescheibe 8 sind - wie im ersten Ausführungsbeispiel - drei Quarzglasperlen lla-llc auf dem Innenrohr 3 angebracht. Links von der Haltescheibe 8 um- fasst das Stützmittel zusätzlich einen Stützring 12, der auf das Innenrohr 3 geschoben und mit zwei Quarzglasperlen 13a, 13b am Innenrohr 3 befestigt ist. Der Stützring 12 hat eine Stärke S von ca. 2 mm und eine Breite B von ca. 5 mm (siehe hierzu auch Fig. 2b) . Der Stütz- ring 12 hat den Vorteil, dass die Wärmeeinbringungszone beim Fügen des von der Haltescheibe 8 abgewandten Rands des Stützrings 12 mit den beiden Quarzglasperlen 13a, 13b ungefähr entsprechend der Breite B des Stützrings 12 von der Haltescheibe 8 entfernt ist. Auf diese Weise hilft der Stützring 12 die thermische Belastung der dünnen Haltescheibe 8 zu verringern. Der Abstand A zwischen den drei Quarzglasperlen lla-llc auf der rechten Seite und dem Stützring 12 auf der linken Seite beträgt ca. 3 mm, so dass für die dazwischen angeordnete Haltescheibe 8 noch ein Spielraum von ungefähr A-D = 1 mm bleibt.

Die in der Figur 3 dargestellte Variante der Lampe 1' ' unterscheidet sich von der vorherigen nur dadurch, dass nun die Stützmittel auf beiden Seiten der Haltescheibe 8 je einen Stützring 12, 14 umfassen. Der rechte Stützring 14 ist in diesem Fall - ebenso wie bei der vorherigen Variante auch schon der linke Stützring 12 - mit zwei

Quarzglasperlen 15a, 15b am Innenrohr 3 befestigt. Der gegenseitige Abstand der beiden Stützringe 12, 14 beträgt ca. 3 mm, so dass auch bei dieser Variante für die Haltescheibe 8 ein Spielraum von ca. 1 mm bleibt.