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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hochdruck-Entladungslampe aus einem vakuumdicht verschlossenen Lampenkolben aus Quarzglas und Elektroden aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, die teilweise vom Quarzglas umschlossen sind und teilweise in den Entladungsraum hineinragen.
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Die komplette Stromzuführung zur Lampe besteht üblicherweise aus Einschmelzfolien, äußeren Stromzuführungen, bzw. Stromzuführungsstiften und Elektroden aus Wolfram oder einer Wolframlegierung.
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Die äußere Stromzuführung ist dabei mit der Einschmelzfolie, und diese wiederum mit der Elektrode aus Wolfram oder einer Wolframlegierung verschweißt. Weiter zeichnet die Lampe aus, dass die Elektrode aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, bezogen auf ihre Gesamtlänge, teilweise vom Quarzglas umschlossen ist.
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1 zeigt beispielhaft die Ausführung einer Hochdruck-Entladungslampe gemäß dem Stand der Technik, bei der die Wolfram-Elektroden (3) teilweise im Lampenkolben (1) aus Quarzglas eingeschlossen sind. Die Einschmelzfolie (2) und die äußere Stromzuführung (4) bilden gemeinsam mit der Elektrode (3) die komplette Stromzuführung.
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2 zeigt die Elektrode gemäß dem Stand der Technik mit der Länge l, wobei der vom Quarzglas umschlossene Teil mit „a” und der frei in den Entladungsraum hineinragende Teil mit „b” bezeichnet ist.
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Bei der Lampenfertigung werden zunächst die Stromzuführungsstifte, die üblicherweise aus einer Molybdänlegierung gefertigt sind und die Elektrodenstifte, die je nach Anforderung im ungeglühten oder geglühten Zustand eingesetzt werden, mit der Einschmelzfolie, die üblicherweise ebenfalls aus einer Molybdänlegierung besteht, mittels Widerstands- oder Laserschweißtechnik verbunden.
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Die weiteren Prozessschritte sind das Einbringen der verschweißten Teile in ein abgelängtes Glas- bzw. Quarzrohr, das Herstellen der Quetschverbindung bzw. der Einschmelzung und das Einbringen des jeweiligen Füllgases. Unter einer Quetschverbindung versteht man eine vakuumdichte Verbindung zwischen dem Lampenkolben und der Stromdurchführung, hergestellt unter der Einwirkung von Temperatur und äußerem mechanischen Druck.
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Eine Einschmelzung ist ein ähnlicher Prozess mit dem Unterschied, dass keine äußere, mechanische Krafteinwirkung auftritt, sondern das Quarzglas aufgrund des Unterdruckes im Lampenkolben die Molybdänfolie umschließt.
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Grund für zum Teil von Quarzglas umschlossene Wolfram-Elektroden bei einigen Lampentypen, wie z. B. Hochdruck-Entladungslampen im Bereich der Automobilbeleuchtung ist es, die Elektrodentemperatur speziell während des Zündvorganges so tief wie möglich zu halten. Dazu ist jedoch erforderlich, dass zwischen der Elektrode, die üblicherweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung wie thoriertem Wolfram, Wolfram dotiert mit Seltenerd-Oxiden oder beispielsweise Wolfram-Rhenium besteht, und dem Quarzglas eine ausreichende Haftung erzielt wird.
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Diese wird indes durch einen um ca. den Faktor 10 höheren Ausdehnungskoeffizienten des Wolframs im Vergleich zum Quarzglas erschwert, mit der Folge, dass es während des Abkühlprozesses durch den höheren Ausdehnungskoeffizienten des Wolframs zwischen der Wolfram-Elektrode und dem Quarzglas zu einer Spaltbildung kommen kann. Dies beeinflusst nicht nur den Temperaturhaushalt der Elektrode, sondern es können in den Spalt auch Bestandteile des Füllgases penetrieren. Da dadurch die Lampenchemie beeinflusst wird, hat dies auch einen negativen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Lampe. Zudem können die Füllgaskomponenten bis zur Einschmelzfolie und weiter entlang der Grenzfläche Einschmelzfolie/Quarzglas bis zur Außenseite der Lampe gelangen, was zu einem Leckwerden und damit zu einem vorzeitigen Ausfall der Lampe führt. Eine Vergrößerung bzw. ein Fortlaufen des Risses kann auch dadurch entstehen, dass bei Bestehen eines Spaltes die Wolfram-Elektrode im Betrieb derartig überhitzt wird, dass durch die daraus resultierende Wärmedehnung der Elektrode Spannungen im Quarzglas induziert werden. Besonders bedeutsam sind die dargestellten Mechanismen bei Hochdruck-Entladungslampen, deren Elektroden zu mehr als 25% vom Quarzglas umschlossen sind.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, werden Elektroden aus thoriertem Wolfram wie zum Beispiel W-1% ThO2, eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass damit die Spaltbildung deutlich verringert werden kann. Nachteilig dabei ist, dass thoriertes Wolfram ein leicht radioaktiver Werkstoff ist, wodurch spezielle Vorschriften die Herstellung und das Handling erschweren. Zudem ist zu erwähnen, dass zukünftig bei der Entsorgung der Lampen mit Elektroden aus thoriertem Wolfram spezielle Maßnahmen einzusetzen sind.
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In der
DE 198 12 298 A1 ist eine Metall-Halogenlampe und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben, wobei eine Wolframwendel um die Wolfram-Elektrode so angebracht ist, dass in dem dem Lampeninneren zugewandten Bereich der Elektrode ein definierter Spalt entsteht und im restlichen Bereich ein Verbund zwischen dem Quarzglas und der Wolfram-Elektrode/Wolframwendel erreicht wird. Durch diesen definierten Spalt soll es möglich sein, den Anteil der im Betrieb induzierten Spannungen, die auf den höheren Ausdehnungskoeffizienten des Wolframs zurückzuführen sind, zu reduzieren. Zudem ist der Spalt definierter Länge üblicherweise kürzer, als dies in Lampen ohne die beschriebene Vorrichtung der Fall wäre. Diese Vorrichtung verbessert die Prozesskonstanz, ohne jedoch das grundlegende, eingangs beschriebene Problem zufriedenstellend zu beheben.
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In der
US 5 905 340 A ist eine Hochdruck-Entladungslampe beschrieben, bei der die Elektroden einer speziellen Glühung unterzogen werden, so dass diese bereits vor dem Einbau in die Lampe im rekristallisierten Zustand vorliegen. Die durch die Glühung erzielte höhere Duktilität des Wolframs soll die Spaltbildung vermeiden. Die gleichzeitige Herabsetzung der Streckgrenze soll tendenziell den Spannungszustand günstig beeinflussen. Im gegebenen Fall ist jedoch auch ein Spannungsniveau unter der Streckgrenze von rekristallisiertem Wolfram ungünstig für die Verbundeigenschaften, so dass damit keine ausreichende Verbesserung erzielt werden kann.
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In der
WO 00/00995 A1 ist eine Hochdruck-Entladungslampe beschrieben, bei der die Elektrode zweiteilig ausgeführt ist, wobei der im Glas eingebettete Teil einen kleineren Durchmesser aufweist oder anstelle von Wolfram aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung besteht. Durch den kleineren Durchmesser, bzw. durch die Verwendung eines Materials mit niedrigerer Streckgrenze, z. B. bei Molybdän, werden der Spannungszustand und damit die Spaltbildung günstig beeinflusst. Die zusätzliche Fügestelle, die bei einer Ausführung aus zwei verschiedenen Werkstoffen nötig ist, stellt jedoch eine potentielle Fehlerquelle, sowohl bei der Lampenfertigung als auch im Lampenbetrieb dar, insbesondere, wenn die Lampe Erschütterungen ausgesetzt ist. Bei einer im Durchmesser gestuften Ausführung aus einem Werkstoff wirken sich der kleinere Durchmesser und damit die kleinere Kontaktfläche in dem der Einschmelzfolie benachbarten Teil nachteilig auf die Wärmeabfuhr aus. Ein weiterer Nachteil ist die geringere mechanische Stabilität, was eine entsprechende Positionierung der Elektrodenspitze bei der Herstellung erschwert.
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In der
WO 00/00996 A1 ist ebenfalls eine mehrteilige Ausführung der Elektrode beschrieben, wobei der in das Glas eingeschlossene Teil der Elektrode massiv aus Rhenium oder in Form eines Röhrchens aus Rhenium ausgeführt ist. Auch hier wird beschrieben, dass durch das im Vergleich zu Wolfram duktilere Rhenium Spannungen besser abgebaut werden. Eine solche Lösung hat unter anderem auch wegen des hohen Preises von Rhenium keine kommerzielle Umsetzung erfahren.
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Die
EP 0 903 771 A2 beschreibt das Oxidieren einer Wolfram-Elektrode, wodurch die chemische Anbindung verbessert wird. Beim Quetschprozess geht jedoch das gebildete Wolfram-Oxid im Quarzglas in Lösung. Wenn nun die Wolfram-Oxid Schicht zu dünn ist, wird sie komplett im Quarzglas gelöst und die chemische Anbindung geht damit verloren. Die Grenzflächenfestigkeit wird jedoch auch reduziert, wenn die Wolfram-Oxid Schicht zu dick ist, da die Festigkeit dann von der Haftung zwischen dem Wolfram-Oxid und dem Metall abhängt. Gemäß der Offenbarung der
EP 0 903 771 A2 ist damit eine prozesssichere Herstellung von Hochdruck-Entladungslampen nicht gewährleistet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Hochdruck-Entladungslampe mit einem Lampenkolben aus Quarzglas sowie Elektroden aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, die zumindest teilweise vom Glaskörper umschlossen sind, bei dem die beschriebenen Nachteile bekannter Ausführungen nicht oder nur in deutlich verringertem Umfang auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche der Wolfram-Elektrode zumindest in dem Bereich, der vom Quarzglas umschlossen ist, vor oder mit dem Zusammenbau der Lampe vorbehandelt wird, so dass im vorbehandelten Bereich 2 bis 50 Flächenprozent der Elektrodenoberfläche von Teilchen oder von nicht zusammenhängenden, inselartigen Bereichen von Stoffagglomeraten mit von der unbehandelten Elektrodenoberfläche verschiedener Oberflächenstruktur und/oder Werkstoffzusammensetzung aus Wolfram, Rhenium, Silizium oder deren Legierungen oder einer oxidischen Verbindung mit einem Dampfdruck bei 2.000°C von weniger als 5 × 10–2 bar bedeckt sind.
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Auf diese Art und Weise wird erreicht, dass zwischen Elektrode und Quarzglas keine nachteilige Spaltbildung auftritt. Sollte es aufgrund des Spannungszustandes im Glaskörper dennoch zur Rissbildung kommen, so sind dies unkritische Entlastungssprünge, die keinen wesentlichen negativen Einfluss auf das Standzeitverhalten der Hochdruck-Entladungslampe ausüben.
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Als Elektrodenwerkstoff können die üblichen Wolframwerkstoffe eingesetzt werden, wie z. B. reines Wolfram, Kalium-dotiertes Wolfram (sogenanntes AKS-Wolfram oder Non-Sag-Wolfram) oder Seltenerdoxid-dotiertes Wolfram.
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Da mit der erfindungsgemäßen Ausführung eine im Vergleich zu thoriertem Wolfram bessere Haftung und damit geringere Neigung zur Spaltbildung erreicht wird, ist die erfindungsgemäße Ausführung auch dann vorteilhaft, wenn aufgrund einer geforderten niedrigen Elektronenaustrittsarbeit des Elektrodenwerkstoffes thoriertes Wolfram eingesetzt wird.
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Als Material für die Teilchen bzw. Stoffagglomerate kommen oxidische Verbindungen wie HfO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Seltenerdoxide, Sc2O3, Silikate, Aluminate aber auch Wolfram, Rhenium, Silizium oder deren Legierungen zur Anwendung. Günstigerweise werden die Teilchen bzw. die nicht zusammenhängenden, inselartigen Bereiche von Stoffagglomeraten nur in dem Bereich der Elektrode ausgebildet, der in der fertigen Lampe vom Glaskörper umschlossen ist.
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Bei Teilchen bzw. Stoffagglomeraten, die das Betriebsverhalten der Hochdruck-Entladungslampe nicht beeinflussen, kann es prozesstechnisch günstiger sein, auf der gesamten Elektrodenoberfläche Teilchen bzw. Stoffagglomerate auszubilden. Teilchen bzw. Stoffagglomerate beeinflussen das Betriebsverhalten der Lampe dann nicht, wenn diese beispielsweise aus einem Element bestehen, das Bestandteil des Füllgases ist, wie z. B. Sc2O3 als Teilchenwerkstoff in einer Lampe, bei der eine Füllkomponente Scandiumjodid ist. Gleiches gilt für Teilchen bzw. Stoffagglomerate, die inert gegenüber dem Füllgas sind.
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In der Praxis wird vorzugsweise ein Längenbereich der Wolfram-Elektrode von mehr als 25% in das Glas der Lampe eingeschlossen.
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Besonders günstig ist es, wenn Elektroden verwendet werden, deren Oberfläche im Bereich zumindestens 5 Flächenprozent und maximal 20 Flächenprozent von Teilchen bzw. nicht zusammenhängenden Stoffagglomeraten bedeckt sind. Die mittlere Größe der Teilchen bzw. der einzelnen Stoffagglomerate liegt vorteilhafterweise unter 5 μm. Als besonders vorteilhaft haben sich Teilchen bzw. Stoffagglomerate aus HfO2, ZrO2, Y2O3, Sc2O3 und Wolfram gezeigt.
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Für das Aufbringen der erfindungsgemäßen Teilchen bzw. Stoffagglomerate kommt eine Vielzahl von Verfahrenstechniken in Frage. Besonders bewährt hat sich das Aufbringen eines Schlickers oder einer metallorganischen Lösung, gefolgt von einer Glühbehandlung je nach Art der Teilchen/Stoffagglomerate bei 1.000°C bis 2.100°C. Bezogen auf eine Glühzeit von 5 Minuten und einer sich ausbildenden Teilchen-/Agglomeratgröße von 1,5 μm liegt die bevorzugte Glühtemperatur für TiO2 bei 1.300°C, für HfO2/ZrO2 bei 1.600°C und für W bei 2.100°C. Dadurch wird auf einfache und wirtschaftliche Weise die Aufbringung von Teilchen/Stoffagglomeraten mit einer für die weitere Verarbeitung ausreichenden Haftfestigkeit erreicht.
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Die Erfindung ist indes nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten beschränkt.
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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Herstellbeispielen näher erläutert.
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Beispiel 1
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900 g Zirkonoxidpulver der Reinheit 99,9% mit einer mittleren Korngröße der Primärteilchen von 450 nm wurden in 50 g Nitrozellulose und 750 ml Lösungsmittel auf Alkoholbasis dispergiert. Der so hergestellte Schlicker wurde mittels Tauchtechnik auf mit 45 ppm gedopte Wolfram-Elektroden aufgebracht. Diese wurden dann bei einer Temperatur von 1600°C während 15 Minuten in Wasserstoff geglüht. Der mittlere Flächenanteil der Zirkonoxid-Teilchen betrug 17%, bei einer mittleren Zirkonoxid-Agglomeratgröße von 1,9 μm. Bei einer größeren Fertigungscharge von Hochdruck-Entladungslampen mit so hergestellten Elektroden konnte die Anzahl der Lampen mit für den Einsatz untauglichen Spalten auf Werte reduziert werden, die um einen Faktor 6 unter denjenigen mit thorierten Wolfram-Elektroden erreichten Werten liegen.
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Beispiel 2
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200 g Zirkonoxidpulver der Reinheit 99,9% mit einer mittleren Korngröße der Primärteilchen von 450 nm wurden in 50 g Nitrozellulose und 750 ml Lösungsmittel auf Alkoholbasis dispergiert. Der so hergestellte Schlicker wurde mittels Tauchtechnik auf mit 45 ppm gedopte Wolfram-Elektroden aufgebracht. Diese wurden dann bei einer Temperatur von 1600°C 15 Minuten in Wasserstoff geglüht. Der mittlere Flächenanteil der Zirkonoxid-Teilchen betrug 1,5%, bei einer mittleren Zirkonoxid-Agglomeratgröße von 0,1 μm. Bei einer Fertigungs-Charge von Hochdruck-Entladungslampen mit so, nicht erfindungsgemäß hergestellten Elektroden, war die Anzahl der Lampen mit für den Einsatz untauglichen Spalten um einen Faktor 7 erhöht – im Vergleich zu Lampen gemäß Beispiel 1.
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Beispiel 3
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1350 g Zirkonoxidpulver der Reinheit 99,9% mit einer mittleren Korngröße der Primärteilchen von 450 nm wurden in 50 g Nitrozellulose und 750 ml Lösungsmittel auf Alkoholbasis dispergiert. Der so hergestellte Schlicker wurde mittels Tauchtechnik auf eine mit 45 ppm gedopte Wolfram-Elektrode aufgebracht. Diese wurden dann bei einer Temperatur von 1600°C 15 Minuten in Wasserstoff geglüht. Der Flächenanteil der Zirkonoxid-Teilchen betrug 78%, bei einer mittleren Zirkonoxid-Agglomeratgröße von 23 μm. Bei einer Fertigungscharge von Hochdruck-Entladungslampen mit so, nicht erfindungsgemäß hergestellten Elektroden, war die Anzahl der Lampen mit für den Einsatz untauglichen Spalten um einen Faktor 12 erhöht – im Vergleich zu Lampen gemäß Beispiel 1.
