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Die Erfindung geht aus von einer
Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Lampen mit
einer Leistung von 20 bis 400 W, bevorzugt ab 100 W.
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Stand der
Technik
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Aus der WO 91/09416 ist eine Hochdruckentladungslampe
bekannt, bei der eine Durchführung
aus einem Nb-Rohr großen
Durchmessers und mit dünner
Wandung besteht, während
die Elektrode von einem Stift kleinen Durchmessers gebildet wird.
Das Verhältnis
der Durchmesser liegt bei mindestens 4:1. Die Verbindung zwischen
Durchführung
und Elektrode wird durch Crimpen hergestellt, wobei die Crimpung
so durchgeführt
wird, dass eine Passage zum Inneren des Nb-Rohrs verbleibt, das
als Reservoir für
die Füllung
des Entladungsgefäßes dient.
Diese Technik wird für
Natriumhochdrucklampen, die ein keramisches Entladungsgefäß verwenden,
als Standard verwendet.
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Im Gegensatz dazu wird bei neueren
Metallhalogenidlampen mit keramischem Entladungsgefäß kein Reservoir
benötigt.
Im Gegenteil wird ein Totvolumen im Bereich des Elektrodensystems
so gut wie möglich vermieden.
Aus diesem Grund sind Durchführung
und benachbarter Stift mit etwa gleich großen Durchmessern ausgestattet.
Die übliche
Verbindungstechnik ist hier Schweißen oder Löten, siehe beispielsweise
EP 652 587 . diese Art der
Verbindung ist jedoch schwer zu beherrschen, so dass ein relativ
hoher Ausschuss in Kauf genommen werden muss und erfordert zudem
von Natur aus hohe Investitionen. Eine Senkung des Ausschusses erfordert
andererseits hohe Kosten.
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Darstellung
der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Elektrodensystem so konzipiert
ist, dass es einfach und zuverlässig
herzustellen ist und den Ausschuss trotzdem niedrig hält.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Im einzelnen handelt es sich um eine
Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß, wobei das
Entladungsgefäß zwei Enden
besitzt, die mit Stopfen verschlossen sind, und wobei durch diesen
Stopfen eine elektrisch leitende Durchführung hindurchgeführt ist,
wobei an der Durchführung
eine Elektrode mit einem Schaft befestigt ist, die in das Innere
des Entladungsgefäßes hineinragt.
Durchführung
und Elektrode werden im folgenden zusammen als Elektrodensystem
bezeichnet. Das Elektrodensystem umfasst mindestens zwei Bauteile,
die als Stifte unterschiedlichen Durchmessers ausgeführt sind,
wobei das größere Bauteil
ein Niobstift ist, und wobei das kleinere, entladungsseitig innen
benachbart liegende Bauteil ein Stift aus Molybdän oder Wolfram ist, der in
einer Bohrung des Niobstiftes eingesteckt ist, wobei das Verhältnis der
Durchmesser des kleineren Bauteils zu dem des Nb-Stifts zwischen
30 und 65% liegt und der eingesteckte Stift in der Boh rung durch
einen mechanischen Pressvorgang befestigt ist. Statt Niob kann auch
eine hochniobhaltige Legierung (beispielsweise NbZr mit einem Nb-Anteil von mindestens
60 mol-%) oder ein Metall mit ähnlichen
Eigenschaften wir Niob, was seine Duktilität betrifft, verwendet werden,
bevorzugt eignet sich Tantal.
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Bevorzugt ist der mechanische Pressvorgang
durch Crimpen oder Klemmen realisiert. Hierbei ist unter Crimpen
ein lokales Pressen und unter Klemmen ein umfassendes Quetschen
der Wandung der Bohrung zu verstehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das kleinere Bauteil ein Elektrodenschaft aus Wolfram, der im
Niobstift eingesteckt wird. Dabei kann es sich sowohl um einen langen
Schaft für
eine Stopfenkapillare als auch um einen kurzen Schaft (ohne Stopfenkapillare)
handeln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das kleinere Bauteil ein Stift aus Molybdän als inneres Teil der Durchführung, während der
Niobstift der äußere Teil
der Durchführung
ist. Dabei liegt das innere Teil in der stopfenkapillare, während das äußere Teil
am ende der Kapillare sitzt.
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Im allgemeinen ist die Bohrung etwa
0,8 bis 2,5 mm tief, wodurch ein ausreichender Halt für den einzusteckenden
Stift gegeben ist. Eine bevorzugte Faustregel für die Tiefe T der Bohrung ist
das drei- bis fünffache
des Durchmessers, insbesondere das Vierfache des Durchmessers D
des Stiftes, also T = 4 D.
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Um eine optimale Fixierung und Beseitigung
des kleineren Bauteils zu erreichen, empfiehlt sich, dass die Bohrung
Stopfenkapillare dem einzusteckenden Stift im Durchmesser angepasst
ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Bohrung höchstens
0,04 mm, bevorzugt 0,01 bis 0,025 mm, größer ist.
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Normalerweise besitzt die Bohrung
eine umlaufende Wandung. Unter Umständen ist aber eine Ausführungsform
vorteilhaft, in der die Bohrung geschlitzt ist und mindestens zwei
Zungen besitzt.
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Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf
das Elektrodensystem für
eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß alleine
gerichtet, wobei das Elektrodensystem zwei Bauteile umfasst, die
als Stifte unterschiedlichen Durchmessers ausgeführt sind, wobei das größere Bauteil
ein Niobstift ist, und wobei das kleinere Bauteil ein Stift aus
Molybdän
oder Wolfram ist, der in einer Bohrung des Niobstiftes eingesteckt ist,
wobei das Verhältnis
der Durchmesser des kleineren Bauteils zu dem des Nb-Stifts zwischen
30 und 65% liegt und der eingesteckte Stift in der Bohrung durch
einen mechanischen Pressvorgang befestigt ist.
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Des weiteren deckt die vorliegende
Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensystems
ab, das zwei Bauteile umfasst, die als Stifte unterschiedlichen
Durchmessers ausgeführt
sind, wobei das größere Bauteil
ein Niobstift ist, und wobei das kleinere Bauteil ein Stift aus
Molybdän
oder Wolfram ist, wobei der Niobstift eine Bohrung zum Aufnehmen
des kleineren Bauteils aufweist, wobei das Verhältnis der Durchmesser des kleineren
Bauteils zu dem des Nb-Stifts zwischen 30 und 65% liegt , mit folgenden
Verfahrensschritten:
- a) Einstecken des kleineren
Bauteils in den Niobstift;
- b) Befestigen des eingesteckten Stift in der Bohrung durch einen
mechanischen Pressvorgang, insbesondere Crimpen oder Klemmen.
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Insbesondere handelt es sich um eine
Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß aus Aluminiumoxid,
wobei das Entladungsgefäß zwei Enden
besitzt, die mit keramischen Stopfen verschlossen sind. Durch sie
ist eine elektrisch leitende, evtl. zweiteilige, Durchführung, die
bezogen auf die Entladung aus einem inneren Teil und einem äußeren stiftförmigen Teil
bestehen kann, vakuumdicht hindurchgeführt ist. Die Durchführung ist
ein Stift, der außen
am Stopfen durch Glaslot abgedichtet. An der Durchführung ist
innen eine Elektrode mit ihrem Schaft befestigt, die in das Innere
des Entladungsgefäßes hineinragt.
Die Elektrode kann einen Kopf besitzen, der als Kugel, Stift, Formteil
oder Wendel ausgebildet ist. Außerdem
kann am Schaft eine Füllwendel
angebracht sein, wenn ein Stopfenkapillare verwendet wird.
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Bevorzugt beträgt die Leistung der Lampe zwischen
70 und 400 W, aber auch größere Leistungen (1000
W) sowie kleinere Leistungen (bis 20 W) sind möglich.
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Der Stopfen kann einteilig, aber
auch mehrteilig ausgeführt
sein. Beispielsweise kann in an sich bekannter Weise eine Stopfenkapillare
von einem ringförmigen
Stopfenteil umgeben sein.
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Die Durchführung oder deren äußeres Teil
wird typisch über
die im Stopfen befindliche Länge
vollständig
in das Glaslot eingeschmolzen. Wichtig ist, dass der Niobstift wegen
des korrosiven Angriffs der Füllung auf
Niob vollständig
von Glaslot bedeckt ist.
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Erfindungsgemäß weist die Durchführung aus
Nb eine Bohrung auf, in die ein Entladungsseitig ein Stift aus Molybdän oder Wolfram
eingefügt
wird. Die Bohrung ist entweder mit einer durchgehend umlaufenden Wandung
versehen oder mit einer Wandung, die geschlitzt ist. Bevorzugt ist
sie dann mit zwei, oder auch mehr, Schlitzen versehen. Der Durchmesser
des gefügten
Stiftes ist dabei zwischen 30 und 65 % (Randwerte eingeschlossen)
des Nb-Stiftes. Die damit verbleibende Wandstärke des Nb-Stiftes ist so gewählt, dass
aufgrund der Materialeigenschaften des Nb eine rein mechanische
Halterung des zu fügenden
Stiftes durch Pressen, beispielsweise durch Crimpen bzw. Pressen
(Halterung durch Preßsitz)
möglich
ist. Dabei ist die Bohrung auf den Durchmesser des zu fügenden Stiftes
angepasst. Bevorzugt ist die Bohrung dafür zwischen 0,01 und 0,04 mm,
insbesondere 0,015 bis 0,025 mm, größer als der zu fügende Stift.
Die Länge
dieses Stiftes spielt dabei keine große Rolle. Es genügt ein Bohrung
von etwa 1,3 bis 2,5 mm Tiefe, bevorzugt sind 1,5 bis 2,0 mm Tiefe, unabhängig von
der Wattage.
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In einer bevorzugten ersten Ausführungsform
ist die Durchführung
ein Niobstift mit einer umlaufenden Bohrung versehen, denn eine
Bohrung ist leicht und sicher herzustellen und liefert eine sehr
gute Fixierung des zu fügenden
Stiftes.
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In einer zweiten Ausführungsform
ist der Nb-Stift mit einer geschlitzten Bohrung versehen, die zwar relativ
aufwendig herzustellen ist, aber unter besonderen Umständen, ggf.
bei hohen Wattagen und größerem Gewicht
des zu fügenden
Stiftes, eine bessere Crimpung ermöglicht.
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Die damit erzielbare Fixierung ist
so zuverlässig,
dass auch Elektrodensysteme mit langem Schaft, der eine Füllwendel
trägt,
jetzt aus einem Stück
gefertigt werden können.
Die Fehlerquelle Bruch der Schweißung entfällt jetzt völlig.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Es zeigen schematisch:
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1 eine
Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß;
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2a und 2b den Endbereich der Lampe
der 1 im Detail;
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3 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele
eines Elektrodensystems.
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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In 1 ist
schematisch eine Metallhalogenidlampe mit einer Leistung von 150
W dargestellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden
zylindrischen Außenkolben 1 aus
Quarzglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesockelt (3)
ist. Selbstverständlich
kann die Lampe auch einseitig verschlossen und beispielsweise mit
einem Schraubsockel versehen sein. Das axial angeordnete Entladungsgefäß 4 aus
Al2O3-Keramik ist
zylindrisch oder bauchig geformt und besitzt zwei Enden 6.
Es ist mittels zweier Stromzuführungen 7, die
mit den Sockelteilen 3 über
Folien 8 verbunden sind, im Außenkolben 1 gehaltert.
Die Stromzuführungen 7 sind
mit Durchführungen 9, 10 verschweißt, die
jeweils in einem Endstopfen 12 am Ende 6 des Entladungsgefäßes eingepasst
sind. Das Stopfenteil ist als ein langgezogenes Kapillarrohr 12 (Stopfenkapillare)
ausgeführt.
Das Ende 6 des Entladungsgefäßes und die Stopfenkapillare 12 sind
beispielsweise miteinander direkt versintert. An der Durchführung sitzt
Entladungsseitig eine Elektrode 15.
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Die Durchführungen 9, 10 ist
jeweils als Niobstift ausgeführt
und ragt bis etwa in ein Viertel der Länge des Kapillarrohr 12 in
dieses hinein. Daran erstreckt sich innerhalb des Kapillarrohrs 12 zum
Entladungsvolumen hin ein verlängerter
Elektrodenschaft 16 aus Wolfram mit einer am entladungsseitigen
Ende des Schaftes aufgeschobenen Wendel 17.
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Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht
neben einem inerten Zündgas,
z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden.
Möglich
ist beispielsweise auch die Verwendung einer Metallhalogenid-Füllung ohne
Quecksilber, wobei als Zündgas
bevorzugt Xenon und insbesondere ein hoher Druck, deutlich über 1,3
bar, gewählt
werden kann.
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Der Niobstift 9 ist etwa
3 mm tief in die Stopfenkapillare 12 eingesetzt und mittels
Glaslot 19 abgedichtet. Dabei ist wichtig, dass das Glaslot
diesen Ni obstift vollständig
bedeckt und auch der Anfang des Schafts 16 (1 bis 2 mm)
noch vom Glaslot abgedeckt ist.
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In 2 ist
das Elektrodensystem im Detail gezeigt, in Seitenansicht ( 2a) und in um 90° gedrehter
Seitenansicht (2b).
Als Durchführung 9 dient
ein geschlitzter Niobstift mit einem Durchmesser von 0,88 mm. Er
besitzt eine Bohrung von 2 mm Tiefe und 0,52 mm Durchmesser. Diese
Bohrung ist mit zwei durchbrechenden Schlitzen versehen, so dass
von der Wandung zwei Zungen 14 stehen bleiben. In die Bohrung
ist der Schaft 16 aus Wolfram eingefügt und dort mittels Crimpung
(Delle 17) befestigt. Zur besseren Anschaulichkeit ist
der Schaft 16 nicht vollständig eingeführt eingezeichnet. Die Crimpung
erfolgt lokal an zwei gegenüberliegenden
Stellen 17 der beiden Zungen 14. Der Durchmesser
des Schafts 16 beträgt
0,50 mm. Der in der Stopfenkapillare liegende Teil des Schaftes
ist von ein Füllwendel 10 aus
Molybdän
umgeben um das Totvolumen zu minimieren.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Elektrodensystem gezeigt. stellt. Als Durchführung 9, 10 dient
ein Niobstift 20 mit einem Durchmesser von 0,88 mm. Er
besitzt eine Bohrung 21 von 2 mm Tiefe und 0,42 mm Durchmesser.
Diese Bohrung hat eine umlaufende Wandung 22 ( 3a). In die Bohrung wird der
Schaft 16 aus Wolfram eingefügt (3b) und dort mittels Crimpung (3c) befestigt. Die Crimpung
erfolgt lokal an zwei gegenüberliegenden
Stellen der Wandung und belässt
dort zwei Druckstellen 24. Der Durchmesser des Schafts 16 beträgt 0,40
mm. Der in der Stopfenkapillare liegende Teil des Schaftes ist von
einer Füllwendel 23 aus
Molybdän
umgeben um das Totvolumen zu minimieren.
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Je nach Wattage kann der Durchmesser
des Nb-Stiftes und des Schaftes unterschiedlich gewählt sein. im
allgemeinen liegt das Verhältnis
(Durchmesser des Schaftes):(Durchmesser des Nb-Stiftes) im Bereich 30 bis
65%, unabhängig
davon ob eine Schlitzung oder umlaufende Bohrung verwendet wird.
Bei niederen Wattagen liegt das Verhältnis eher am unteren Rand,
bei höheren
Wattagen eher am oberen Rand. In einer anderen Ausführungsform
unter Verwendung von Molybdän
liegt dieses Verhältnis
eher höher
als bei Verwendung von Wolfram, nämlich ca. 30 bis 50 % höher, bezogen
auf Wolfram.
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Ein einfaches Ausführungsbeispiel,
das nicht für
eine Stopfenkapillare gedacht ist, zeigt 4. Dort ist in 4a der Nb-Stift 25 alleine mit
der Bohrung 26 gezeigt, während in 4b der kurze W-Stift 27 als Elektrodenschaft
eingefügt
ist und dort geklemmt ist.
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Das Crimp-Verfahren ist gemäß 5 beispielsweise auch geeignet,
um eine Verbindung zwischen dem Nb-Stift 30 als äußerem Teil
einer Durchführung
und einem Mo-Kernstift 31 als innerem Teil einer Durchführung herzustellen,
da auch hier der Größenunterschied
des Durchmessers im anwendbaren Bereich (30 bis 65%) liegt. Eine
Crimp-Delle ist als Bezugsziffer 34 zu sehen. Der Kernstift 31 ist
mit einer Füllwendel 33 ausgestattet.
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Allerdings ist dann die Verbindung
zwischen dem Mo-Kernstift 31 und dem Elektrodenschaft 32 aus Wolfram
in herkömmlicher
Weise mittels Schweißung
herzustellen, da hier der Größenunterschied
Schaft zu Kernstift zu gering ist. Er liegt typisch bei etwa 70
bis 100 %.
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In Tab. 1 sind die unterschiedlichen
Verhältnisse
bei weiteren Wattagen gezeigt. Für
Lampen von 35 bis 400 W ist dort der Durchmesser des Nb-Stiftes
(DuNb) und der Durchmesser des Schaftes (DuS), beide in mm, angegeben
sowie der Durchmesser des Schaftes prozentual bezogen auf den Nb-Stift.
In diesen Fällen wurde
jeweils ein W-Stift als Schaft verwendet. Die Tiefe der Bohrung
(umlaufend) betrug 2 mm.
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