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Die Erfindung betrifft ein Verschlusselement einer Gasentladungslampe, mit dem ein Quarzglasrohr der Gasentladungslampe an beiden Enden vakuumdicht verschließbar ist.
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Gasentladungslampen der hier betrachteten Bauform bestehen aus einem Quarzglasrohr, das beidseitig verschlossen und mit Elektroden versehen ist. Dabei wird das Innere des Quarzglasrohres evakuiert und anschließend mit einem Füllgas, z.B. Xenon befüllt. Für die Evakuierung und Befüllung ist das Quarzglasrohr mit einem oder zwei Füllstutzen aus Glas am jeweiligen Ende des Rohres versehen. Dabei ist es auch möglich, den Füllstützen nicht nur während des Herstellungsprozesses zu nutzen und dann dauerhaft dicht zu verschließen, sondern der Fülldruck kann auch während des Betriebs der Gasentladungslampe variiert werden.
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Der Einsatz von Quarzglas bietet sich insbesondere deshalb an, da diese Gasentladungslampen hohe Lichtintensitäten mit einem großen Anteil an sichtbarem Licht und UV-Licht generieren. Außerdem weist – Quarzglas eine hohe Temperatur- und UV-Stabilität sowie eine hohe UV-Transparenz im Vergleich zu anderen Glassorten auf.
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Allerdings hat Quarzglas im Vergleich zu anderen Glassorten einen sehr viel geringeren Ausdehnungskoeffizienten, so dass eine metallische Stromdurchführung mit kreisförmigem Querschnitt und einem großem Durchmesser, z.B. größer als 1mm, für die Elektroden durch das Quarzglas hindurch nicht direkt realisiert werden kann.
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Solche metallischen Durchführung werden aus diesem Grunde mit sogenannten Übergangsgläsern realisiert, deren Ausdehnungskoeffizient zwischen dem des Quarzglases und dem des Metalls liegt. Diese Übergangsgläser sind kostenintensiv und die Herstellung metallischer Durchführungen mit diesen Übergangsgläsern sehr aufwändig. Dabei werden üblicherweise für die metallischen Durchführungen Metalle wie Wolfram oder Molybdän eingesetzt, um zusätzlich die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metall und dem Übergangsglas möglichst gering zu halten. Trotz des Übergangsglases werden in der Praxis nur Durchführungen mit einem kreisförmigen Querschnitt von deutlich unter 10mm aufgrund der thermomechanischen Spannungen hergestellt.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine vakuumdichte Metalldurchführung durch ein Quarzglasrohr einer Gasentladungslampe kostengünstig und sicher zu realisieren.
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Eine weitere Aufgabenstellung besteht darin, zur Erreichung höherer Stromstärken Durchführungen mit einem Querschnitt von über 10mm zu schaffen zu können und auch Gasdurchführungen zu realisieren.
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Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, den beidseitigen Verschluss des Quarzglasrohres mittels eines metallischen Verschlusselementes in Form eines dichtenden Stopfens zu realisieren.
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Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird dadurch gelöst, dass das Verschlusselement ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil sowie einen elastischen Dichtring aufweist.
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Dabei bilden beide Bauteile einen konzentrisch zur Achse des Quarzglasrohres liegenden Aufnahmeraum, der durch die Bauteile und durch eine an die innere Mantelfläche des Quarzglasrohres anlegbare und UV-Licht absorbierende Schutzfolie begrenzt wird. Die Schutzfolie deckt den Aufnahmeraum zum Quarzglasrohr hin ab. In den Aufnahmeraum ist der Dichtring eingelegt. Beide Bauteile sind unter einer den Dichtring mit dazwischenliegender Schutzfolie dichtend gegen die innere Mantelfläche des Quarzglasrohres pressenden quetschenden Verformung relativ zueinander beweglich und arretierbar. Der Aufnahmeraum ist somit durch seine Begrenzungen vor dem Eintritt von UV-Strahlung geschützt, wodurch der Dichtring vor den negativen Wirkungen des Einwirkens der UV-Strahlung geschützt wird. Die dichtende Wirkung des Verschlusselementes wird durch den Dichtring erreicht, der durch die Bewegung beider Bauteile gequetscht wird und damit eine Dichtkraft sowohl auf die Bauteile auf der einen Seite als auch auf die Schutzfolie auf der anderen Seite ausübt. Durch die Dichtkraft des Dichtringes wird auch die Schutzfolie dichtend gegen die innere Mantelfläche des Quarzglasrohres gedrückt. Die Dichtfolie absorbiert nun auch Wärmestrahlung und erwärmt sich bei dem Betrieb der Gasentladungslampe. Da die Dichtfolie den Aufnahmeraum abdeckt, grenzt sie zumindest auch an die beiden Bauteile, wodurch die absorbierte Wärme mittels Wärmeleitung in die Bauteile abgeleitet wird. Damit werden eine Überhitzung der Schutzfolie und auch eine Überhitzung des Dichtringes vermieden.
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Grundsätzlich ist es möglich, das Verschlusselement an dem Quarzglasrohr außen anzuordnen. In einer günstigen Ausgestaltung ist es aber auch vorgesehen, dass die Bauteile derart ausgebildet sind, dass die Schutzfolie an die innere Mantelfläche des Quarzglasrohres anlegbar ist. Damit werden die Bauteile und damit im Wesentlichen das Verschlusselement im Inneren des Quarzglasrohres liegen.
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Grundsätzlich können Quarzglasrohre verschiedene Querschnitte beispielsweise einen Rechteckquerschnitt, aufweisen. Derartige Querschnitte können sich je nach Einsatzzweck als günstig erweisen. Herstellungstechnisch wird ein runder Querschnitt bevorzugt, da runde Quarzglasrohre Standardware sind und somit Kostenvorteile bieten. Dementsprechend ist in einer Ausführung vorgesehen, das Verschlusselement für ein rundes Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser derart auszugestalten, dass das erste und das zweite Bauteil jeweils als zylindrische Bauteile ausgebildet sind. Sie weisen jeweils ein lampenseitiges Ende und ein lampenfernes Ende und jeweils einen dazwischenliegenden Zylinderbereich mit einem Durchmesser auf, der dem Innendurchmesser des Quarzglasrohres derart entspricht, dass der jeweilige Zylinderbereich in das Quarzglasrohr einsteckbar ist. Der Aufnahmeraum ist zwischen dem Zylinderbereich des ersten Bauteils und dem Zylinderbereich des zweiten Bauteils angeordnet und die Schutzfolie erstreckt sich zwischen dem Zylinderbereich des ersten Bauteils und dem Zylinderbereich des zweiten Bauteils. Diese zylindrische Gestaltung bietet auch für die Herstellung des Verschlusselements Vorteile, da die Bauteile durch einfache Drehbearbeitung hergestellt werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das lampenferne Ende des Zylinderbereiches des ersten Bauteil und das lampenseitige Ende des Zylinderbereiches des zweiten Bauteils mit je einer Schulter versehen ist, mit denen der Aufnahmeraum in axialer Richtung begrenzt ist. Damit liegt der Dichtring an den Schultern an und wird bei einer relativen Bewegung der beiden Bauteile aufeinander zu gequetscht. Infolge der Elastizität des Dichtringes weicht dieser der quetschenden Kraft aus. Da der Aufnahmeraum nach innen, d.h. in Richtung Mittelachse räumich begrenzt ist, bewirkt das Ausweichen der Quetschkraft, dass der Dichtring in Richtung innerer Mantelfläche des Quarzglasrohres ausweicht. Zwischen dem Dichtring und der inneren Mantelfläche des Quarzglasrohres befindet sich nun die Schutzfolie. Durch das Ausweichen des Dichtringes wird damit eine Presskraft auf die Schutzfolie ausgeübt, die diese gegen die innere Mantelfläche drückt. Damit schließt die Dichtfolie mit ihrer zur inneren Mantelfläche weisenden Außenseite mit dem Quarzglasrohr dicht ab. An der innenliegenden Innenseite der Schutzfolie liegt der Dichtring dichtend an. Er liegt aber auch an den übrigen Seiten des Aufnahmeraumes dicht an, so dass das gesamte Verschlusselement das Quarzglasrohr dicht verschließt, wenn die beiden Bauteile in ihrer Lage fixiert werden, in der sie die Quetschkraft bewirken.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Schultern zwischen radialer und axialer Richtung des jeweiligen Bauteils abgeschrägt ist, welche auch Dreiecksdichtung genannt wird. Durch diese Abschrägung wird erreicht, dass der Dichtring beim Pressen leichter in Richtung innerer Mantelfläche gedrückt wird. Dies erleichtert letzten Endes die Dichtwirkung.
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Um eine Relativbewegung und Arretierung der beiden Bauteile auf einfache Art und Weise zu erreichen, wird in einer Ausgestaltung des Verschlusselementes die Wirkung einer Schraubverbindung genutzt, indem das erste Bauteil an seinem lampenfernen Ende mit einem Gewindestutzen versehen ist, der ein Außengewinde aufweist und der das zweite Bauteil durchdringend aus dem lampenfernen Ende des zweiten Bauteiles herausragt und dort mit einer Mutter gegen des zweite Bauteil verschraubbar ist. Durch ein Aufdrehen der Mutter auf den Gewindestutzen bewegen sich beide Bauteile aufeinander zu, d.h. sie werden gegeneinander gezogen. Dabei wird der Dichtring gepresst und dichtet in der bereits beschriebenen Art und Weise ab. Die Arretierung der beiden Bauteile wird dabei durch die Selbsthemmung des Gewindes bewirkt.
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Mit dem Verschlusselement kann auch der Füllstutzen realisiert werden. Damit kann ein aufwändiger Verfahrensschritt bei der Herstellung einer Gasentladungslampe, nämlich das Verschmelzen nach dem Einstellen einer bestimmungsgemäßen Gasatmosphäre im Inneren des Quarzglasrohres, entfallen. Auch wird es dadurch möglich, die Gasatmosphäre nach der Herstellung oder gar während des Betriebs zu verändern. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das erste und das zweite Bauteil eine gemeinsame Durchgangsbohrung in axialer Richtung aufweisen, die an ihrem lampenfernen Ende vakuumdicht verschließbar ist. Dies kann dadurch realisiert werden, dass an dem lampenfernen Ende der Durchgangsbohrung ein Füllstutzen mit einer Stutzenbohrung angeordnet ist, wobei die Stutzenbohrung mit der Durchgangsbohrung verbunden ist und die Durchgangsbohrung mittels eines Verschlusses, der als Verschlussschraube, Verschlussstopfen oder dergleichen ausgebildet sein kann, in der Stutzenbohrung vakuumdicht verschließbar ist.
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Zum Schutz der Flächen des Verschlusselements, die der Gasatmosphäre im Inneren des Quarzglasrohres ausgesetzt sind, kann vorgesehen sein, dass die an seinem lampenseitigen Ende zum Lampeninneren freiliegende Oberfläche des ersten Bauteils aus dotiertem Wolfram besteht. Typischerweise können hier Mischungen z.B. aus Lanthanoxid und Bariumoxid verwendet werden. Dabei ist es möglich, dass die Oberfläche mit einer Abdeckung aus dotiertem Wolfram versehen ist, die mit dem ersten Bauteil mittels Hartlot verbunden ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Dichtring aus einem Elastomer besteht, welches eine kurzzeitige Temperaturbeständigkeit von über 250°C zum Ausheizen der Bauteile besitzt.
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In einfacher Art und Weise kann vorgesehen sein, dass der Dichtring als O-Ring ausgebildet ist. O-Ringe sind Standardware und dementsprechend kostengünstig. Je nach Querschnitt des Aufnahmeraumes ist es aber auch möglich, dass der Dichtring einen rechteckigen oder anderweitig geformten Querschnitt aufweist.
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Der bestmögliche Schutz des Dichtringes vor UV-Einstrahlung bei gleichzeitig guter Wärmeableitung wird dadurch realisiert, dass die Schutzfolie als Metallfolie ausgebildet ist. Dabei kann einem Metall oder einer Legierung aus der Gruppe Indium, Blei, Kupfer, Zinn und Zink der Vorzug gegeben werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Verschlusselement für eine Gasentladungslampe mit einem runden Querschnitt und
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2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Verschlusselement für eine Gasentladungslampe mit einem runden Querschnitt, in das ein Füllstutzen integriert ist.
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Wie in 1 dargestellt, weist das Verschlusselement 1, mit dem ein Quarzglasrohr 2 einer nicht näher dargestellten Gasentladungslampe an beiden Enden vakuumdicht verschließbar ist, ein erstes Bauteil 3 und ein zweites Bauteil 4 sowie einen elastischen Dichtring 5 auf.
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Beide Bauteile 3 und 4 sind jeweils zylindrisch ausgebildet. Das erste Bauteil 3 weist ein lampenseitiges Ende 6 und ein lampenfernes Ende 7 auf. In gleicher Weise weist das zweite Bauteil 4 ein lampenseitiges Ende 8 und ein lampenfernes Ende 9 auf.
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Beide Bauteile 3 und 4 bilden einen konzentrisch zur Achse des Quarzglasrohres liegenden Aufnahmeraum 10, der durch die Bauteile 3 und 4 und durch eine an die innere Mantelfläche 11 des Quarzglasrohres 2 anlegbare UV-Licht absorbierende Schutzfolie 12 begrenzt wird, die den Aufnahmeraum 10 zum Quarzglasrohr 2 hin abdeckt. Der Dichtring 5 ist in den Aufnahmeraum 10 eingelegt. Er ist als O-Ring ausgebildet und besteht aus einem Elastomer.
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Zwischen dem lampenseitigen Ende 6 und dem lampenfernen Ende 7 ist das erste Bauteil 3 mit einem dazwischenliegenden Zylinderbereich 13 versehen. In gleicher Weise ist das zweite Bauteil 4 zwischen dem lampenseitigen Ende 8 und dem lampenfernen Ende 9 mit einem Zylinderbereich 14 versehen.
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Die Durchmesser der Zylinderbereiche 13 und 14 sind dabei so gewählt, dass sie dem Innendurchmesser des Quarzglasrohres 2 entsprechen, allerdings mit einer solchen Toleranz, dass die Bauteile 3 und 4 mit ihrem Zylinderbereichen 13 und 14 in das Quarzglasrohr 2 zusammen mit der Schutzfolie 12 formschlüssig aber reibungslos oder mit einer Reibung, die per Hand überwunden werden kann, eingesteckt werden können.
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Der Aufnahmeraum 10 liegt zwischen dem Zylinderbereich 13 des ersten Bauteils 3 und dem Zylinderbereich 14 des zweiten Bauteils 4. Die Schutzfolie 12 erstreckt sich dabei von dem Zylinderbereich 13 des ersten Bauteils 3 bis zu dem Zylinderbereich 14 des zweiten Bauteils 4. Die Zylinderbereiche 13 und 14 können dabei im Bereich der Schutzfolie 12 eine Vertiefung, d.h. einen um den Betrag der Dicke der Schutzfolie 12 verringerten Durchmesser aufweisen, um zu gewährleisten, dass die beiden Bauteile 3 und 4 in das Quarzglasrohr 2 reibungslos einsteckbar sind.
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Das lampenferne Ende 15 des Zylinderbereiches 13 des ersten Bauteils 3 ist mit einer Schulter 17 und das lampenseitige Ende 16 des Zylinderbereiches 14 des zweiten Bauteils 4 ist mit einer Schulter 18 versehen, mit denen der Aufnahmeraum 10 in axialer Richtung begrenzt ist. Dabei ist die Schulter 17 zwischen radialer Richtung 20 und axialer Richtung 19 abgeschrägt.
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An seinem lampenfernen Ende 6 ist das erste Bauteil 3 mit einem Gewindestutzen 21 versehen, der ein Außengewinde aufweist und der das zweite Bauteil 4, welches eine entsprechende axiale Durchgangsbohrung 22 aufweist, durchdringt. Der Gewindestutzen 21 ragt aus dem lampenfernen Ende 9 des zweiten Bauteiles 4 heraus. Dort ist er mit einer Mutter 23 gegen das zweite Bauteil 4 verschraubbar. Durch Anziehen der Mutter 23 kann das erste Bauteil 3 gegen das zweite Bauteil 4 gezogen werden. Damit verkleinert sich der Aufnahmeraum 10. Da der Dichtring 5 in den Aufnahmeraum 10 eingelegt ist, wird dieser zusammengepresst und versucht, der Presskraft durch entsprechende Verformung auszuweichen. Dies gelingt nur, indem sich der Dichtring 5 in Richtung innerer Mantelfläche 11 des Quarzglasrohres 2 ausweicht, was durch das Abschrägen der Schulter 17 unterstützt wird. Dadurch, dass die Schutzfolie 12 den Aufnahmeraum 10 begrenzt, drückt der Dichtring 5 sich selbst gegen die Dichtfolie und damit die Dichtfolie 5 gegen die innere Mantelfläche 11. In dieser Position sind die beiden Bauteile 3 und 4 durch die Selbsthemmung des Gewindes des Gewindestutzens 21 in der Mutter 23 arretiert.
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Der Dichtring 5 in der Form eines Elastomer-O-Rings, wird mit der Schutzfolie 12 aus Indium oder Blei überdeckt. Die Schutzfolie hat sowohl die Funktion, das Elastomer gegenüber der hohen Intensitäten von UV-Licht zu schützen als auch die in der Folie durch Absorption von Licht generierte Wärme an die metallische Durchführung aus den beiden Bauteilen 3 und 4, die als Kühlkörper wirkt, abzuleiten. Außerdem verbinden sich sowohl Indium, als auch Blei mit dem Quarzglas, um eine hohe Dichtheit zu erreichen. Indium und Blei alleine als Dichtungsmaterial zeigen hingegen keine ausreichende Temperaturwechselbeständigkeit gegenüber der Kombination des Elastomers mit der Blei- bzw. Indiumfolie. Durch das Elastomer bedingt können auch Metalle mit hohem Ausdehnungskoeffizient, wie Kupfer, für die Durchführung eingesetzt werden, welches einen wesentlich geringeren ohmschen Widerstand hat im Vergleich zu Wolfram oder Molybdän.
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Das Verschlusselement 24 wie es in 2 dargestellt ist, zeigt den grundsätzlich gleichen Aufbau, wie das Verschlusselement 1 nach 1. Dieselben Bezugszeichen zeigen gleiche Elemente. Allerdings ist das erste Bauteil 3 und das zweite Bauteil 4 mit einer gemeinsamen Durchgangsbohrung 24 in axialer Richtung 19 versehen, die an ihrem lampenfernen Ende vakuumdicht verschließbar ist. Zum Verschluss der Durchgangsbohrung 24 ist an dem lampenfernen Ende 26 der Durchgangsbohrung 25 ein Füllstutzen 27 mit einer Stutzenbohrung 28 angeordnet. Die Stutzenbohrung 28 ist dabei mit der Durchgangsbohrung 25 verbunden und die Durchgangsbohrung 25 ist mittels einer Verschlussschraube 29 in der Stutzenbohrung 28 vakuumdicht verschließbar.
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Typischerweise wird mindestens ein Füllstutzen aus Glas in das Quarzglasrohr 2 eingebracht, welches zur Evakuierung und anschließenden Befüllung (z.B. Xenon) der Gasentladungslampe dient. Aufgrund des großen Durchmessers des metallischen Verschlusselements 24 ist es nun möglich, diesen Füllstutzen 27 zu integrieren bzw. den Füllstutzen aus Glas entfallen zu lassen.
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Es können auch beide Verschlusselemente am jeweiligen Lampenende mit einem Füllstutzen versehen werden. Damit ist eine wesentlich bessere Reinigung durch Spülen des Glasrohrs, z.B. mit Stickstoff bei einer Temperatur von 250°C möglich. Mit dieser Spülung lassen sich Reste von Wasser auf den Oberflächen der Innenwandung viel effizienter entfernen als durch das bloße Evakuieren des Innenbereichs mit einem Füllstutzen bei der gleichen Temperatur.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verschlusselement
- 2
- Quarzglasrohr
- 3
- erstes Bauteil
- 4
- zweites Bauteil
- 5
- Dichtring
- 6
- lampenseitiges Ende des ersten Bauteiles
- 7
- lampenfernes Ende des ersten Bauteiles
- 8
- lampenseitiges Ende des zweiten Bauteiles
- 9
- lampenfernes Ende des zweiten Bauteiles
- 10
- Aufnahmeraum
- 11
- innere Mantelfläche des Quarzglasrohres
- 12
- Schutzfolie
- 13
- Zylinderbereich des ersten Bauteiles
- 14
- Zylinderbereich des zweiten Bauteiles
- 15
- lampenfernes Ende des Zylinderbereiches des ersten Bauteils
- 16
- lampenseitiges Ende des Zylinderbereiches des zweiten Bauteils
- 17
- Schulter des ersten Bauteils
- 18
- Schulter des zweiten Bauteils
- 19
- axiale Richtung
- 20
- radiale Richtung
- 21
- Gewindestutzen
- 22
- Durchgangsbohrung des zweiten Bauteils für den Gewindestutzen
- 23
- Mutter
- 24
- Verschlusselement
- 25
- gemeinsame Durchgangsbohrung
- 26
- lampenfernes Ende der Durchgangsbohrung
- 27
- Füllstutzen
- 28
- Stutzenbohrung
- 29
- Verschlussschraube
