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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kurzbogenentladungslampe
mit Elektrodenstabeinschmelzung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, eine Kurzbogenentladungslampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine Elektrode für eine
Kurzbogenentladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 13.
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Kurzbogenentladungslampen
mit Elektrodenstabeinschmelzung weisen typischerweise Kaltfülldrücke
von bis zu 30 bar und Betriebsdrücke von bis zu 100 bar
auf. Zum Befüllen des Entladungsraumes von Kurzbogenentladungslampen
wird bislang ein sogenannter Pumpstängel aus Quarzglas
oder dergleichen an das Entladungsgefäß der Kurzbogenentladungslampe
angeschmolzen und der Entladungsraum der Kurzbogenentladungslampe über diesen
Pumpstängel mit dem Füllgas befüllt.
Nach Einfrieren des Füllgases wird der Pumpstängel
abgeschmolzen und das Entladungsgefäß so wieder
verschlossen. Aufgrund des hohen Betriebsdruckes von Kurzbogenentladungslampen
bergen diese das Risiko eines Berstens des Entladungsgefäßes,
wodurch Personen in der Umgebung der Kurzbogenentladungslampe gefährdet
werden können.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen
einer Kurzbogenentladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, welches ein Befüllen eines Entladungsraumes
der Kurzbogenentladungslampe mit einem oder mehreren Füllgasen
ermög licht, ohne das Entladungsgefäß strukturell
zu schwächen. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Kurzbogenentladungslampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine Elektrode für eine Kurzbogenentladungslampe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13 bereitzustellen,
welche die Sicherheit des Betriebs solcher Lampen verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin bei einer Kurzbogenentladungslampe
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7 durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 7 gelöst. Bei einer
Elektrode für eine Kurzbogenentladungslampe mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 13 wird die Aufgabe durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 13 gelöst. Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen
einer Kurzbogenentladungslampe wird zunächst eine Elektrode,
die einen Kopf und einen Stab umfasst, mit einem Kanal bereitgestellt.
Die Elektrode wird im folgenden Verfahrensschritt an ihrem Stab
in ein einen Entladungsraum umschließendes Entladungsgefäß eingeschmolzen.
Um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Elektrodenstabmaterial, beispielsweise Wolfram, und
dem Entladungsgefäßmaterial, beispielsweise Quarzglas,
aneinander anzugleichen, werden üblicherweise ein oder
mehrere Übergangsgläser eingesetzt. Diese Technik
der Elektrodenstabeinschmelzung ist dem Fachmann seit langem bekannt,
weshalb hier auch weitere Details verzichtet werden kann. Um Feuchtigkeit
und schädliche Anteile der Umgebungsluft zu entfernen,
wird im folgenden Schritt ein Spülgas durch den Kanal in
den Entladungsraum eingeleitet. Hierzu wird in der Regel Argon oder
ein Edelgasgemisch verwendet. Während des Spülens
ist es darüber hinaus möglich, die Elektrode zu
glühen, um adsorbierte Substanzen von der Elektrodenoberfläche
zu entfernen. Im folgenden Verfahrensschritt wird der Entladungsraum über
den Kanal der Elektrode evakuiert und ein Füllgas, in der Regel
Xenon, oder Füllgasgemisch, durch den Kanal der Elektrode
in den Entladungsraum geleitet. Das Füllgas wird schließlich
eingefroren und der Kanal verschlossen.
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Im
Gegensatz zum bekannten Stand der Technik zum Herstellen von Kurzbogenentladungslampen
erfolgt das Befüllen also nicht durch einen angeschmolzenen
Pumpstängel, sondern durch den Kanal der Elektrode.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird die Entstehung
von Schwachstellen im Entladungsgefäß vermieden.
Eine so hergestellte Kurzbogenentladungslampe ist somit stabiler
und explosionssicherer als vergleichbare, nach dem Stand der Technik
hergestellte Kurzbogenentladungslampen.
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Bevorzugter
Weise wird im ersten Verfahrensschritt der Kanal der Elektrode durch
ein abtragendes Verfahren, insbesondere durch Bohren, in die Elektrode
eingebracht. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige
Herstellung der Elektrode.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erster Abschnitt
des Kanals durch Bohren in der (Längs-)Erstreckungsrichtung
der Elektrode und ein zweiter Abschnitt des Kanals durch Bohren
senkrecht zu dieser (Längs-) Erstreckungsrichtung der Elektrode
erzeugt. Der Kanal erstreckt sich also nicht bis zu einem Kopf der
Elektrode, an welchem im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe der
Lichtbogen anliegt. Dies vermeidet die Erosion von Kantenbereichen
einer Kanalmündung durch die thermische Belastung in Lichtbogennähe
und der Kanal beeinträchtigt auch nicht die Qualität
des Lichtbogens.
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Bevorzugter
Weise wird durch das Einschmelzen der Elektrode im zweiten Verfahrensschritt
diese so relativ zum Entladungsgefäß platziert,
dass der Entladungsraum über den Kanal der Elektrode mit
der Außenluft in Verbindung steht. Das Befüllen
bzw. Evakuieren des Entladungsgefäßes kann somit
direkt über den Kanal erfolgen, ohne dass eine weitere
Gaszuleitung bzw. Gasableitung im Entladungsgefäß bereitgestellt
werden muss.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist der Kanal eine Öffnung
auf, wobei das Verschließen des Kanals im Verfahrensschritt
g) durch Anlöten einer Litze an der Öffnung erfolgt.
Es sind also keine zusätzlichen Verschlussmittel nötig,
welche den Kanal der fertigen Kurzbogenentladungslampe abdichten. Das
Verbinden der Elektrode mit einer Litze zur Stromzufuhr und das
Verschließen des Kanals erfolgen in einem Arbeitsschritt,
was das Verfahren schnell und kostengünstig macht.
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Zum
Anlöten der Litze wird bevorzugt ein Hochfrequenzlötverfahren
verwendet. Durch derartige induktive Lötverfahren wird
eine besonders hohe Lötstellenqualität erzeugt,
so dass sichergestellt ist, dass die Lötstelle dem hohen
Betriebsdruck der Kurzbogenentladungslampe standhält.
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Eine
erfindungsgemäße Kurzbogenentladungslampe mit
einem einen Entladungsraum umschließenden Entladungsgefäß und
einer in das Entladungsgefäß eingeschmolzenen
Elektrode gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, dass in der Elektrode ein Kanal ausgebildet
ist. Eine derart gestaltete Kurzbogenentladungslampe ermöglicht
das einfache Befüllen und Evakuieren des Entladungsraums
mittels des eingangs geschilderten Verfahrens.
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Der
Kanal verläuft bevorzugt in einem Bereich der Elektrode,
der abschnittsweise von außerhalb des Entladungsgefäßes
zugänglich ist. Damit ist ein einfaches Verbinden des Kanals
mit einer Gaszuleitung bzw. Gasableitung ermöglicht, ohne
dass Manipulationen am Entladungsgefäß nötig
sind, welche dessen strukturelle Stabilität mindern könnten.
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Der
Kanal verläuft in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung abschnittsweise geradlinig parallel zur Erstreckungsrichtung
der Elektrode. Weiterhin erstreckt sich der Kanal bevorzugt abschnittsweise
in eine Richtung mit einer Komponente senkrecht zur Erstreckungsrichtung
der Elektrode. Mit anderen Worten weist der Kanal eine Knickstelle auf,
an welcher sich seine Verlaufsrichtung ändert, z. B. um
etwa 90°. Dadurch wird sichergestellt, dass die Öffnungen
des Kanals einen hinreichenden Sicherheitsabstand zum Kopfbereich
der Elektrode, an welcher im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe
ein Lichtbogen anliegt, aufweisen. Die Anwesenheit des Kanals beeinflusst
dadurch die Qualität des Lichtbogens im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe nicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Kanal von außen durch ein Lot verschlossen. Dadurch kann
auf zusätzliche Verschlussmittel verzichtet werden, deren
Befestigung aufgrund unterschiedlicher Materialausdehnung von Verschlussmitteln
und Elektrode problematisch wäre.
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Die
erfindungsgemäße Kurzbogenlampe lässt
sich auch besonders gut Wiederverwerten. Dazu wird der zuvor geschilderte
Verfahrensschritt nach dem Ende der Lebensdauer der Lampe einfach umgekehrt,
d. h. die Lampe wird, beispielsweise in einer Handschuhbox durch
Erwärmen des Lots am Ende des Kanals geöffnet
und das Füllgas kann ausströmen, ohne dass dazu,
wie bei herkömmlichen Kurzbogenlampen mit Pumpstängel,
Glas zerstört werden muss. Das Entlöten kann beispielsweise
wieder mittels Hochfrequenzheizen erfolgen, um möglichst
wenig Verunreinigungen in den Wiederverwertungsprozess einzubringen.
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Die
Elektrode der Kurzbogenentladungslampe ist bevorzugt aus Wolfram
oder einer Wolframlegierung ausgebildet. Solche Elektroden vermögen den
hohen thermischen Belastungen im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe
besonders gut standzuhalten.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrode für eine Kurzbogenentladungslampe
mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Eine solche Elektrode umfasst
einen Stab zum Anlegen eines elektrischen Potentials und einen Kopf,
von dem sich bei angelegtem Potential ein Lichtbogen zu einem Kopf
einer weiteren Elektrode erstreckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Elektrode einen Kanal aufweist, welcher sich von einem
Anschlussende des Stabes – also von demjenigen Ende, welches
mit geeigneten Mitteln zum Zuführen elektrischen Stromes verbindbar
ist – bis zu einer Austrittsöffnung an einem kopfseitigen
Ende des Stabes erstreckt. Die Elektrode kann ein- oder mehrteilig
sein, d. h. der Elektrodenstab und der Elektrodenkopf sind entweder
zwei unterschiedlich ausgebildete Abschnitte eines einzigen Teils
oder aber separate Teile, die zu einer Elektrode zusammengefügt
sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Es zeigt die einzige Figur
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Kurzbogenentladungslampe im Schnitt.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Eine
in der Figur dargestellte, im Ganzen mit 10 bezeichnete
Kurzbogenentladungslampe umfasst ein Entladungsgefäß 12,
welches einen Entladungsraum 14 umschließt. Das
Entladungsgefäß ist von einem abnehmbaren Schutzmantel 13 umgeben,
der für den Betrieb der Lampe entfernt wird. In das Entladungsgefäß 12 ist
eine Kathode 16 sowie eine Anode 18 eingeschmolzen.
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Die
Kathode 16 umfasst einen Stab 19, welcher mit
einem Anschlussbereich 20 aus dem Entladungsgefäß 12 herausragt
und mit seinem kopfseitigen Ende 22 mit einem Kopf 24 der
Kathode verbunden ist. Der Kopf 24 ist kegelförmig
ausgebildet, wobei der hintere Teil (Fuß) des Kopfes einen
größeren Durchmesser hat als der Stab. Durch beide
Maßnahmen ist gewährleistet, dass ein Zurückschlagen
des Lichtbogens auf die Kathode 16 beim Zünden
der Kurzbogen entladungslampe 10 verhindert wird. Die Anode 18 ist
ebenfalls in einen Stab 26, welcher mit seinem Endbereich 28 aus
dem Entladungsgefäß 12 hinaus ragt, und
einen Kopf 30 unterteilt.
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Im
Stab 19 der Kathode 16 ist ein Kanal 32 vorgesehen.
Ein erster Bereich 33 des Kanals 32 verläuft
vom Endbereich 20 des Stabes 19 zunächst
parallel zu dessen Erstreckungsrichtung. Der Kanal 32 endet
in einem durch eine Verengung 101 des Entladungsgefäßes
von dem eigentlichen Entladungsraum 14 getrennten Vorraum 102.
Dazu knickt der Kanal 32 um circa 90° ab, wobei
ein zweiter Bereich 34 des Kanals 32 senkrecht
zur Erstreckungsrichtung des Stabes 19 verläuft
und in den Vorraum 102 mündet.
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Die
Verengung
101 dient der Stabilisierung der Elektrode
16.
Dazu umgibt sie den Elektrodenstab
19 zwar lose, aber nicht
gasdicht, um den später noch genauer erläuterten
Gasaustausch zwischen dem Entladungsraum
14 und der Einmündung
34 des Kanals
32 während
der Herstellung der Lampe zu ermöglichen. Der Entladungsraum
14 steht
also nach dem Einschmelzen der Kathode
16 in das Entladungsgefäß
12 über
den Kanal
32 mit der Außenluft in Verbindung.
Um den Gasaustausch zu verbessern kann es zudem vorteilhaft sein,
diese Verengung nicht über den gesamten Umfang auszuführen
sondern nur an drei über den Umfang gleichmäßig
verteilten Stellen, an denen das Gefäßmaterial
bis zum Elektrodenstab nach innen gestülpt ist (nicht dargestellt).
Für weitere Details hierzu sei auf die Schrift
DE 10 2005 046 483
A1 verwiesen. Alternativ kann der Kanal
32 auch
bis in den Entladungsraum
14 hinein verlän gert
sein und dort mit dem zweiten Bereich
34 einmünden
(nicht dargestellt).
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Beim
Befüllen des Entladungsgefäßes 12 wird
dieses zunächst über den Kanal 32 mit
einem Spülgas befüllt. Hierzu wird in der Regel
Argon oder ein Edelgasgemisch aus kostengünstigen Edelgasen verwendet.
Das Spülen dient dem Entfernen von Restfeuchtigkeit sowie
schädlichen Bestandteilen der Luft. Während des
Spülens können die Elektroden 16, 18 zusätzlich
erhitzt werden, um adsorbierte störende Substanzen von
ihnen zu lösen und diese mit dem Spülgas zu entfernen.
Nach dem Spülen des Entladungsraums 14 wird dieser über
den Kanal 32 evakuiert, so dass störende Feuchtigkeit
und Gase möglichst vollständig entfernt werden.
In den evakuierten Entladungsraum 14 wird dann das als
Betriebsergebnis vorgesehene Füllgas, in der Regel Xenon,
eingefüllt. Nach vollständiger Befüllung
des Entladungsraumes 14 wird das Füllgas durch
Beaufschlagen mit flüssigem Stickstoff eingefroren, um
so ein Verschließen des Kanals 32 zu ermöglichen.
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Das
Verschließen des Kanals 32 erfolgt durch Aufbringen
eines Lotes 35, welches gleichzeitig die Kathode 16 mit
einer Litze 36 zum Zuführen von Strom verbindet.
Hierzu wird ein induktives Hochfrequenzlötverfahren unter
Schutzgasatmosphäre verwendet. Dadurch wird ein sicherer
Halt des Lotes 35 am Stab 19 der Kathode 16 sichergestellt, so
dass die Lötstelle den hohen Betriebsdrücken der Kurzbogenentladungslampe 10 von
bis zu 100 bar standhalten kann. Auch die Anode 18 wird
auf gleiche Weise mittels eines Lotes 38 mit einer Litze 40 verbunden.
Nach dem Verlöten der Elektroden 16, 18 wird
das Entladungsgefäß 12 schließlich
noch in einen Schutzmantel 13 mon tiert, um einer Beschädigung
des Entladungsgefäßes 12 vorzubeugen.
Für den Betrieb der Kurzbogenentladungslampe 10 wird der
Schutzmantel 13 wieder entfernt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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