DE102007061514A1

DE102007061514A1 - Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe und Verfahren zu ihrer Fertigung

Info

Publication number: DE102007061514A1
Application number: DE102007061514A
Authority: DE
Inventors: Oliver Apel; Thomas Degenhard; Jürgen KELLERER; Matthias Lenz; Sascha Piltz; Karen Twesten; Dieter Trypke
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-06-25
Also published as: US20100308723A1; EP2223331A1; CN101903972A; WO2009080412A1; JP2011507200A

Abstract

Die Elektrode zeichnet sich durch eine komplexe Formgebung aus, insbesondere durch einen asymmetrischen Kopf. Zur Herstellung wird ein Sublimationslaser verwendet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Elektroden sind insbesondere für Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß geeignet.
Stand der Technik
Die WO 2005/062343 offenbart eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, bei der ein Sublimationslaser zur Erzielung einer Bohrung im Kopf der Elektrode verwendet wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die eine optimierte asymmetrische Form besitzt. Ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet, Elektroden für Hochdruckentladungslampen in komplexer Formgebung einfach und kostengünstig herzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweils abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird jetzt eine Elektrode vorgestellt, die aus Wolfram-Material oder anderem hochwärmebeständigem Material wie TaC gefertigt ist und die eine optimierte asymmetrische Form aufweist.
Im einzelnen handelt es sich um eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, aus einem Stab oder Stift einstückig geschnitten, mit einem Elektrodenkopf als erstem Segment und einem Schaft als zweitem Segment, wobei die Elektrode eine asymmetrische Form besitzt, die mittels Sublimationslaser hergestellt wurde.
Insbesondere lassen sich damit ein Kopf herstellen, der helmartig gestaltet ist, wobei Seitenwandflächen des Kopfes abgetragen sind.
Eine andere Ausführungsform ist, dass ein Kugelabschnitt parallel zur Längsachse des Schafts abgetragen ist, wobei die Schnittkante des Kugelabschnitts insbesondere mit einer Verlängerung einer Schaftkante zusammenfällt.
Insbesondere kann der Kopf als Ellipsoid oder Oval geformt sein. Der Kopf kann auch pilzschirmartig geformt sein, insbesondere wobei sein Querschnitt ein Parabelausschnitt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaft der Elektrode pfeilerartig mit längsparallelen Kanülen versehen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer Elektrode wie vorstehend beschrieben.
Eine bevorzugte Anwenung dieser Elektroden ist bei einem Entladungsgefäß, das aus keramischem Material, insbesondere Al₂O₃, gefertigt ist, und einseitig verschlossen ist. derartige Entladungsgefäß werden insbesondere bei Hochdruckentladungslampen, insbesondere mit Metallhalogenidfüllung verwendet.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mittels Laser mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen eines zylindrischen Stabs oder Stifts aus hochschmelzendem Material, insbesondere aus Wolfram, Legierungen mit Wolfram, oder TaC;
– Verkugein eines Endes des Stabs durch Laserbeschuss;
– Nachbearbeiten der so hergestellten massiven einstückigen Elektrode mittels eines Sublimationslaser.
Formen der Elektrode sind nachstehend näher erläutert.
Eine derartige Form ist beispielsweise ein helmartiger Kopf, der eine Kerbe aufweist, oder ein helmartiger Kopf, der einen umlaufenden Querschlitz aufweist. Insbesondere kann auch der Schaft der Elektrode komplex gestaltet sein, insbesondere pfielerartig mit Längsrifen versehen. Eine weitere bevorzugte Form ist ein Kopf, der pilzartig einen Schirm besitzt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger komplexer Formen. Wesentlich dafür ist die Anwendung eines Sublimationslasers zur Formgebung der Elektrode. Damit ist insbesondere ein Laser gemeint, der eine hohe Strahlungsdichte aufweist, die mindestens dazu ausreicht um Wolfram zu sulbimieren.
Die hohe Strahlungsdichte muss ausreichen um das Elektrodenmaterial bei der Bearbeitung und Formgebung vom festen direkt in den gasförmigen Zustand zu bringen. Dies kann ein ausreichend leistungsstarker Nd:YAG-Laser oder CO2-Laser sein. Ein bevorzugter Aspekt ist, dass er ausreichend kurze Pulse von höchstens 1 μs Dauer bereitstellt und die nötige Energiedichte liefert, um zumindest Wolfram zu sublimieren. Eine typische Repetitionsrate ist 5 bis 50 kHz.
Diese Elektrode ist besonders gut geeignet für Metallhalogenidfüllungen, die in keramischen Entladungsgefäßen untergebracht sind. Derartige Entladungsgefäße werden für Metallhalogenidlampen verwendet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1–9 eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe in verschiedenen Ausführungsform;
10 eine Hochdruckentladungslampe mit derartiger Elektrode.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel einer Elektrode 1 zeigt 1. Sie hat einen zylindrischen Schaft 2 und einen Kugelkopf 3. Das Abrunden des Kugelkopfes geschieht durch Verkugein mittels eines leistungsstarken Nd:YAG-Lasers (Pfeil). Die Elektrode ist einstückig aus Wolfram gefertigt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode 1 zeigt 2. Dort ist in 2a eine massive einstückige Elektrode 1 aus Wolfram gezeigt, die ursprünglich als Kugelkopf-Elektrode wie in 1 hergestellt wurde. Sie wird jedoch noch weiter bearbeitet, indem ein spezieller Sublimations-Laser den symmetrischen Kugelkopf 3 helmartig an den beiden zum Schaft parallelen Seiten verschmälert, so dass seitliche Wandstücke abgetragen werden. Es verbleibt ein Helm 3'. Auch die entladungsseitige Oberfläche 4 kann mit dem Sublimationslaser auf eine spezielle Krümmung eingestellt werden.
In 2b ist die in 2a beschriebene Elektrode noch weiter bearbeitet. Dabei wird mit einem Sublimationslaser in der Mitte des Helms 3' quer zur Achse des Schaftes eine umlaufende Riefe 5 erzeugt.
In 2c ist die in 2a beschriebene Elektrode weiter bearbeitet, indem mit einem Sublimationslaser an der Spitze des Helms 3' ein Schlitz 6 erzeugt wird.
In 2d ist die in 2a beschriebene Elektrode weiter bearbeitet, indem mit einem Sublimationslaser an der Spitze des Helms 3' eine Bohrung 7 erzeugt wird.
In 3 ist die Formgebung für eine Elektrode 10 mit zylindrischem Kopf 11 dargestellt. Auch hier ist die Elektrode einstückig aus Vollmaterial hergestellt. 3a zeigt, wie mit dem Sublimationslaser der Schaft 12 aus einem ursprünglich zylindrischen Stab abgetragen wird. Auch hier kann der Sublimationslaser wieder dafür verwendet werden, um gemäß 3b eine umlaufende Riefe 13 zu erzeugen. Gemäß 3c kann auch ein Querschlitz 14 am Kopf erzeugt werden. Gemäß 3d kann eine zentrale Bohrung 15 am Kopf erzeugt werden. Insbesondere kann der Sublimationslaser auch dazu verwendet werden, den Kopf mit mehreren Einstichen 16 zu versehen, siehe 3e.
In 4a bis 4e sind die zugehörigen Querschnitte A--A bis E--E durch die Elektroden der 3 gezeigt.
In 5 ist eine massive Kugelkopf-Elektrode 20 gezeigt, die zunächst wie in 1 hergestellt worden ist. Danach erfolgt jedoch noch ein einseitiger Flankenabtrag durch einen Sublimationslaser, so dass der Kugelkopf 21 nur noch entweder auf einer Seite über den Schaft 22 übersteht, siehe 5a, oder auf einer Seite 24 schmäler übersteht als auf der andern Seite 26, siehe 5b.
In 6 ist eine Elektrode 30 gezeigt, die einstückig aus einem Stab wie in 1 hergestellt ist. Dabei wird nach Formung des Kugelkopfs eine zusätzliche Formgebung in asymmetrischer Weise, nämlich der Kopf 31 als Ellipsoid o. ä., erreicht, indem ein Sublimationslaser den Kopf 31 nachträglich bearbeitet, insbesondere mittels "Laserschuss und/oder indem der Wolframstift beim Formen des Kopfes unterhalb des Sublimationslasers positioniert wird.
7 zeigt eine massive einstückige Stift-Elektrode 35 aus Wolfram. Sie ist aus einem W-Stift oder Stab mit ursprünglich konstantem Durchmesser gefertigt. Dabei ist der ursprüngliche Durchmesser des Stifts am Kopf 36 als zylindrischer Kopf erhalten, im Bereich des Schafts 37 aber durch Kanülen 38 abgetragen, siehe 7a. Vier Kanülen 38 sind längsparallel im Schaft ausgespart, so dass dessen Wärmekapazität verringert ist. einen Querschnitt durch den Schaft 37 zeigt 7b.
8 zeigt eine Kegelkopf-Elektrode 40 ähnlich wie in DE 20 2006 004 567 beschrieben. Diese ist aus einem massiven einstückigen Stab gearbeitet. Am Kopf 41 ist der ursprüngliche Durchmesser des Stabs erhalten geblieben. Der Kopf verjüngt sich kegelschnittartig 42 in Richtung Schaft 43. Der Durchmesser des eigentlichen Schafts 43 ist deutlich kleiner als der maximale Durchmesser des Kopfs 41. Die Abtragung des Materials kann auch hier erfindungsgemäß am besten mit Hilfe eines Sublimationslasers erfolgen. Bisher ist nur die Möglichkeit des Fräsens bekannt. Der Vorteil des Bearbeitens mittels Sublimationslaser ist, dass die Oberflächen sauberer geschnitten werden können und dass die Formgebung deutlich präziser realisiert werden kann. Dieser Vorteil besteht gegenüber thermischen Verfahren aller Art, sowie gegenüber mechanischen und chemischen Verfahren.
9 zeigt eine Elektrode 50, die ebenfalls wieder aus dem Rohling der 1 durch Weiterbearbeitung erzeugt werden kann. Dabei ist der Schaft 51 zylindrisch, der Kopf 52 hat die Gestalt eines Pilzschirms. In Querschnitt kann die Kontur des Kopfes als Parabel beschrieben werden. Der Schirmrand 53 kann gerade abgeschnitten oder wie dargestellt geschwungen geführt sein.
10 zeigt ein einseitig verschlossene Entladungsgefäß 60 für eine Hochdruckentladungslampe. Es ist bevorzugt aus Keramik. In das innere Volumen 61 erstrecken sich zwei Elektroden 62, die asymmetrisch zueinander stehen, ähnlich wie in 5 beschrieben. Früher mussten derartige Elektroden aufwendig mechanisch zusammengesetzt oder aus einem Block gefräst werden, siehe DE-A 36 40 990 . Mit dem neuen berührungslosen Verfahren mittels Sublimationslaser lässt sich jede gewünschte Form präzise ausarbeiten. Hier hat der Kopf 63 der Elektrode zumindest näherungsweise die Gestalt eines Ellipsoids, dessen Wärmekapazität auf die Bedürfnisse hin optimiert ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mittels Laser verwendet folgende Schritte:

– Bereitstellen eines zylindrischen Stabs oder Stifts aus hochschmelzendem Material, insbesondere Wolfram, Legierungen mit Wolfram, oder TaC;
– Verkugeln eines Endes des Stabs durch Laserbeschuss wie an sich bekannt;
– Nachbearbeiten der so hergestellten massiven einstückigen Elektrode mittels eines Sublimationslaser.

Das Verkugeln erfolgt ähnlich wie im Prinzip in DE-A 42 03 975 beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/062343 [0002]
- DE 202006004567 [0033]
- DE 3640990 A [0035]
- DE 4203975 A [0037]

Claims

Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, aus einem Stab oder Stift einstückig geschnitten, mit einem Elektrodenkopf als erstem Segment und einem Schaft als zweitem Segment, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eines asymmetrische Form besitzt, die mittels Sublimationslaser hergestellt wurde.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf helmartig gestaltet ist, wobei Seitenwandflächen des Kopfes abgetragen sind.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kugelabschnitt parallel zur Längsachse des Schafts abgetragen ist, wobei die Schnittkante des Kugelabschnitts insbesondere mit einer Verlängerung einer Schaftkante zusammenfällt.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf als Ellipsoid oder Oval geformt ist.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft der Elektrode pfeilerartig mit längsparallele Kanälen versehen ist.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf der Elektrode pilzschirmartig geformt ist, insbesondere daß sein Querschnitt ein Parabelausschnitt ist.
Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Entladungsgefäß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus keramischem Material, insbesondere Al₂O₃, gefertigt ist, und einseitig verschlossen ist.
Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß nach einem der Ansprüche 7 und 8.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mittels Laser mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines zylindrischen Stabs oder Stifts aus hochschmelzendem Material, insbesondere aus Wolfram, Legierungen mit Wolfram, oder TaC; – Verkugeln eines Endes des Stabs durch Laserbeschuss; – Nachbearbeiten der so hergestellten massiven einstückigen Elektrode mittels eines Sublimationslaser.