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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Elektrode
einer Entladungslampe, bei dem an der Oberfläche der Elektrode
eine Oxidschicht erzeugt wird.
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Stand der Technik
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Die
Oberfläche von einer Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe
muss bei der Fertigung der Lampe vor Verunreinigungen, welche die
lichttechnischen Eigenschaften und die Lebensdauer der Lampe während
des Betriebs beeinflussen können, gereinigt werden. Diese
in oder auf dem Elektrodenstab existierenden Restmaterialien bzw.
Verunreinigungen können durch bekannte Vorgehensweisen nur
unzureichend entfernt werden. Diesbezüglich ist beispielsweise
ein mechanisches Rommeln bekannt, bei dem die Elektroden in einer
Schüttung an sich selbst sowie an den zugesetzten Schleifmittelpartikeln
durch Rütteln innerhalb einer wässrigen Lösung reiben.
Dabei wird die Oberfläche der Elektrode zwar geglättet,
allerdings liegt die erzielbare Oberflächenrauigkeit nicht
unter der Dimension der Schleifmittelpartikel und die Oberfläche
wird vom Abtrag und vom Schleifmittel kontaminiert. Darüber
hinaus ist ein elektrochemisches Ätzen bekannt, bei dem
die Oberfläche der Elektrode auf atomarem Maßstab
angegriffen wird. Bei dieser Vorgehensweise werden bestehende Oberflächenstrukturen
eingeebnet und geglättet. Die Oberfläche wird
allerdings durch die Abtraglösung ebenfalls kon taminiert.
In beiden genannten Verfahren sind nachträglich zusätzliche
Reinigungsschritte erforderlich, um die Verunreinigungen nochmals
reduzieren zu können.
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Darüber
hinaus ist aus der
US
6,626,725 B1 eine Entladungslampe bekannt, bei der eine
stabförmige Elektrode aus Wolfram bereichsweise in einen Hals
eines Entladungsgefäßes durch eine gasdichte Quetschung
eingebracht ist und sich andererseits bereichsweise in einen Entladungsraum
des Entladungsgefäßes erstreckt. Um eine Rissbildung
des Entladungsgefäßes im Quetschungsbereich im
Betrieb der Entladungslampe verhindern zu können, wird
die Oberfläche der Elektrode bearbeitet. Zur Erzeugung
einer elementaren Wolframschicht an der Oberfläche der
Elektrode in dem Längenbereich, in dem die Elektrode im
Quetschbereich angeordnet ist, wird zunächst eine Oxidschicht
auf der Oberfläche erzeugt. Dabei kann beispielsweise eine
Wolframtrioxidschicht erzeugt werden. Um die elementare Wolframschicht
zu erzeugen, wird dann die oxidierte Elektrode bei etwa 1200°C
in einem Wasserstoffofen, in dem Wasserstoff in Wasser aufsprudelt,
erhitzt.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
mit dem das Entfernen von Verunreinigungen in einem Elektrodenmaterial aufwandsärmer
und verbessert erfolgen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch
1 aufweist, gelöst.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bearbeiten
einer Elektrode, insbesondere zum Entfernen von Verunreini gungen
aus dem Elektrodenmaterial, einer Entladungslampe wird auf der Oberfläche
der Elektrode eine Oxidschicht erzeugt. Diese Oxidschicht wird dann
nachfolgend einer Sublimation unterzogen. Es wird somit ein Reinigen
der Oberfläche der Elektrode durch eine Umwandlung einer äußeren
Randschicht des Elektrodenmaterials durch Erzeugung einer Oxidschicht
und einer anschließenden Sublimation ermöglicht.
Neben einem Entfernen von Verunreinigungen kann dadurch auch ein
definiertes Oberflächenprofil eingestellt werden, um konstante
Verhältnisse für den Verbund zwischen dem Elektrodenmaterial
und dem Glasmaterial des Entladungsgefäßes, insbesondere
im Quetschungsbereich, über die Länge der Elektrode
gewährleisten zu können.
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Bevorzugt
werden das Erzeugen der Oxidschicht und das nachfolgende Sublimieren
vor dem Einbringen der Elektrode in das Entladungsgefäß der Entladungslampe
durchgeführt. Der Aufwand für das Entfernen von
Verunreinigungen aus der Elektrode kann dadurch nochmals reduziert
werden.
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Bevorzugt
wird das Sublimieren in einer Vakuumumgebung durchgeführt.
Bevorzugt wird beim Sublimieren ein Druck von kleiner oder gleich
10–5 mbar eingestellt.
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Bevorzugt
wird das Sublimieren bei einer Temperatur zwischen 1400 K und 1900
K durchgeführt. Es kann vorgesehen sein, dass die Temperatur während
des Sublimierens im Wesentlichen konstant gehalten wird. Ebenso
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass mit fortschreitender Zeitdauer
des Sublimierens die Temperatur gesteigert wird oder gesenkt wird.
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Die
Zeitdauer des Sublimierens und/oder die Temperatur beim Sublimieren
wird vorzugsweise abhängig von der Schichtdicke der Oxidschicht und/oder
der Art der Oxidschicht eingestellt.
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Bevorzugterweise
wird eine leichtflüchtige Oxidschicht an der Oberfläche
der Elektrode ausgebildet. Die Oxidschicht wird vorzugsweise unter
normaler Luftatmosphäre und unter normalem Umgebungsluftdruck
sowie einer Temperatur zwischen 700 K und 1300 K, insbesondere zwischen
1000 K und 1300 K erzeugt. Die Oberfläche der Elektrode
wird somit bevorzugterweise an Luft bei Normaldruck in einem Temperaturbereich
zwischen 700 K und 1300 K definiert oxidiert.
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Vorzugsweise
ist die Elektrode zumindest anteilig aus Wolfram ausgebildet und
an der Oberfläche bildet sich eine Wolframoxidschicht.
Hierbei können sich unterschiedliche Arten von Wolframoxidschichten
ausbilden, beispielsweise eine WO3-Schicht
oder eine W2O5-Schicht.
Auch andere Arten von Oxidschichten sind möglich.
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Insbesondere
bei den genannten Temperaturen zwischen 700 K und 1300 K bildet
sich durch Reaktion mit Sauerstoff eine gelbliche, lockere WO3-Schicht aus, welche mit einem linearen
Zeitgesetz anwächst. Durch dieses lineare Verhalten lässt sich
die Dicke der zum Oxid umgewandelten Randschicht der Elektrode bei
vorgegebener Glühtemperatur definiert einstellen.
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Der
wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt in der Reinigung der Elektrodenoberfläche ohne eine
zusätzliche Kontamination der zum Abtrag der Randschicht
verwendeten Substanzen, insbesondere der im Stand der Technik verwendeten
Schleifmittelpartikel oder der Elekt rolyte. Darüber hinaus
treten auch keine Reinigungsrückstände auf. Durch
den gleichmäßigen Angriff des Sauerstoffs resultiert
eine feinkörnige Oxidschicht, insbesondere eine WO3-Schicht, mit gleichmäßiger Dicke.
Nach der Sublimation der Oxidschicht resultiert daraus eine gleichmäßige
Oberfläche mit feiner Rauigkeit über die Länge
des Elektrodenstifts. Insbesondere sind bei einem erfindungsgemäßen
Verfahren keine zusätzlichen Reinigungsschritte mehr erforderlich.
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Es
ist nicht erforderlich, die Oxidschicht auf der gesamten Oberfläche
der Elektrode zu erzeugen. Es genügt, die Oxidschicht auf
der Oberfläche eines Abschnitts der Elektrode zu erzeugen,
der nach dem Abdichten des Entladungsgefäßes in
dem Entladungsgefäßmaterial eingebettet ist. Beim
Entfernen der Oxidschicht mittels Sublimation werden mit der Oxidschicht
auch etwaige Verunreinigungen von der Oberfläche des Elektrodenabschnitts
entfernt und dadurch die Haftung der Oberfläche des Elektrodenabschnitts
am Entladungsgefäßmaterial, üblicherweise
ist das Quarzglas, reduziert. Dadurch wird auch die Gefahr der Rissbildung
im abgedichteten Bereich des Entladungsgefäßes
verringert.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Oxidschicht
nur auf einem Teil der Oberfläche des nach dem Abdichten
des Entladungsgefäßes im Entladungsgefäßmaterial
eingebetteten Elektrodenabschnitts erzeugt, um auf diesem Elektrodenabschnitt
Oberflächenbereiche unterschiedlicher Morphologie zu erzeugen.
Die Teile der Oberfläche des vorgenannten Elektrodenabschnitts, auf
denen eine Oxidschicht erzeugt und anschließend mittels
Sublimation wieder entfernt wurde, weisen eine andere Oberflä chenstruktur
als die unbehandelten, nicht mit der Oxidschicht versehenen Oberflächenbereiche
des Elektrodenabschnitts auf. Insbesondere weisen die mittels Oxidation
und Sublimation behandelten Oberflächenbereiche des vorgenannten
Elektrodenabschnitts eine geringere Haftung an dem Entladungsgefäßmaterial
auf als die unbehandelten Oberflächenbereiche. Dadurch
werden auf dem im Entladungsgefäßmaterial eingebetteten Elektrodenabschnitt
Oberflächenbereiche mit unterschiedlicher Haftung an dem
Entladungsgefäßmaterial erzeugt. Die Gefahr, dass
etwaige mikroskopisch kleine Risse oder Sprünge im Entladungsgefäßmaterial,
die aufgrund der thermischen Ausdehnung der Elektrode und ihrer
Haftung am Entladungsgefäßmaterial während
des Lampenbetriebs auftreten, zu größeren, die
Abdichtung des Entladungsgefäßes zerstörenden
Rissen anwachsen können, wird dadurch verringert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Drei
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
schematischer 1 bis 3 näher
erläutert. Die 1 zeigt einen Teilausschnitt
einer Entladungslampe mit erfindungsgemäß hergestellten
Elektroden und die 2 und 3 zeigen
zwei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß hergestellter
Elektroden.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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In
der Figur ist ein schematischer Teilausschnitt einer Hochdruckentladungslampe 1 gezeigt, welche
ein Entladungsgefäß 2 mit einem Entladungsraum 3 aufweist.
In den Entladungsraum 3 erstrecken sich eine erste Elektrode 4 (Anode)
und eine zweite Elektrode 5 (Kathode). An den im Querschnitt
oval ausgebildeten Mittelteil des Entladungsgefäßes 2 schließen
zwei diametral gegenüberliegende Hälse 21 und 22 an.
Die erste Elektrode 4 ist in diesen Hals 21 gasdicht
eingequetscht, wobei die zweite Elektrode 5 in den Hals 22 durch
eine Quetschung dichtend eingebracht ist.
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Diese
beiden Stäbe der Elektroden 4 und 5 sind
aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet.
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Die
Elektroden 4 und 5 sind durch ein nachfolgend
noch zu erläuterndes Verfahren von Restmaterialien bzw.
Verunreinigungen gereinigt, wodurch lichttechnische Eigenschaften
und die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe 1 während
des Betriebs nicht negativ beeinflusst werden. Zusätzlich weisen
die Oberflächen der Elektroden 4 und 5 definierte
Oberflächenprofile auf, um konstante Verhältnisse
für den Verbund zwischen der ersten Elektrode 4 und
dem Quarzglasmaterial des Halses 21 einerseits und der
zweiten Elektrode 5 und dem Quarzglasmaterial des Halses 22 andererseits
gewährleisten zu können. Durch diese konstanten
Verhältnisse insbesondere im Quetschungsbereich kann auch
die Rissbildung an diesen Stellen im Betrieb der Hochdruckentladungslampe 1 zumindest
reduziert werden.
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Insbesondere
während dem Quetschvorgang könnten in den Elektroden 4 und 5 vorhandene Verunreinigungen
ausgasen und dadurch die lichttechnischen Eigenschaften der Hochdruckentladungslampe 1 im
fertig gestellten Zustand im Betrieb negativ beeinflussen.
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Daher
wird vor dem Einbringen der Elektrode 4 und 5 in
das Entladungsgefäß 2 eine Reinigung bzw.
eine Bearbei tung der Elektroden 4 und 5 durchgeführt.
Die weitere Vorgehensweise der Reinigung wird nachfolgend an der
ersten Elektrode 4 erläutert.
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Zum
Reinigen wird die bereitgestellte Elektrode 4 unter normaler
Luftatmosphäre und normalem Umgebungsdruck einer Temperatur
von über 700 K ausgesetzt. Insbesondere wird eine Temperatur
zwischen 1000 K und 1300 K eingestellt. An der Oberfläche
der Elektrode 4 wird dann eine Wolframtrioxidschicht (WO3-Schicht) erzeugt. Diese wird durch die
eingestellten Prozessparameter definiert erzeugt und die Dicke der
Oxidschicht folgt einem linearen Zeitgesetz. Nachfolgend wird dann
eine Vakuumatmosphäre erzeugt, bei der ein Druck ≤ 10–5 mbar eingestellt wird. Die Elektrode
mit ihrer außenseitigen Randschicht wird dann einer Sublimation
in diesem Vakuum unterzogen und eine Temperatur größer
1400 K, insbesondere eine Temperatur im Bereich zwischen 1450 K
und 1900 K, eingestellt. Die Sublimation, das Vakuum und die relativ
hohe Temperatur reichen insbesondere in ihrer Kombination aus, um
sämtliche Verunreinigungen, die im oder an der Elektrode 4 existieren,
zu entfernen. Dabei können die Prozessparameter variiert
werden. Beispielsweise kann ermöglicht werden, dass mit
höherer Temperatur weniger Vakuum oder weniger Behandlungszeit
erforderlich ist. In gleicher Weise ist es möglich, dass
je größer das Vakuum ist, umso niedriger die erforderliche
Temperatur oder desto kürzer die Behandlungszeit ist. Darüber
hinaus können mit einer längeren Behandlungszeit
die Temperatur und das Vakuum niedriger eingestellt werden.
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Die
Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher
erläuterte Ausführungsbeispiel. Beispielsweise
genügt es, die Oxidschicht nur auf der Oberfläche
der nach dem Abdichten des Entladungsgefäßes 2 in
dem Quarzglas des Entladungsgefäßes 2 eingebetteten
Abschnitte 41 bzw. 51 der Elektroden 4 bzw. 5 zu
erzeugen und anschließend mittels Sublimation, gemäß dem
oben näher beschriebenen Verfahren, wieder zu entfernen.
In 2 ist eine Elektrode 5' gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Oxidschicht,
die nur auf der Oberfläche des in dem Glas des Quetschfußes
bzw. Halses 22 des Entladungsgefäßes 2 eingebetteten
Abschnitts 51' der Elektrode 5' erzeugt wird,
schematisch abgebildet. Die Oxidschicht wird vor dem Abdichten des
Halses 22 wieder durch Sublimation von der Oberfläche
des Elektrodenabschnitts 51a' entfernt.
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Bei
der in 3 schematisch dargestellten Elektrode 5'' gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Oxidschicht
beispielsweise nur auf ringförmig, den Elektrodenumfang
umlaufenden Oberflächenbereichen 511a'', 512a'' und 513a'' des im
Quarzglas des Halses 22 des Entladungsgefäßes 2 eingebetteten
Abschnitts 51a'' der Elektrode 5'' erzeugt. Die
mit der Oxidschicht versehenen Oberflächenbereiche 511a'', 512a'' und 513a'' sind
durch unbeschichtete Oberflächenbereiche 514a'' des
Elektrodenabschnitts 51a'' voneinander getrennt. Nach dem
Entfernen der Oxidschicht mittels Sublimation gemäß dem
beim ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahren
weisen die Oberflächenbereiche 511a'', 512a'' und 513a'' eine
andere Oberflächenstruktur und insbesondere eine geringere
Haftung an dem Quarzglas des Halses 22 als die unbehandelten
Oberflächenbereiche 514a'' auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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