DE3842770A1 - Verfahren zur herstellung einer zweiseitigen hochdruckentladungslampe - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer zweiseitigen hochdruckentladungslampeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Lampe mit
den im Hauptanspruch bezeichneten Merkmalen. Die Er
findung betrifft insbesondere die Herstellung von
Metallhalogenidhochdruckentladungslampen mit einer
elektrischen Leistungsaufnahme von maximal 50 W, wie
sie in letzter Zeit vermehrt zum Zweck der Allgemein
beleuchtung oder zum Einsatz in Kraftfahrzeugschein
werfern vorgeschlagen wurden. Solche Lampen wurden
bisher hergestellt, indem ein beidseitig offenes
Quarzrohr zuerst einseitig verschlossen und anschlie
ßend an der Stelle des künftigen Entladungsgefäßes
durch Versammeln des Quarzglases dessen olivenförmige
Gestalt ausgebildet wird. Danach werden in weiteren
Arbeitsgängen das anfangs verschlossene Rohrende
wieder geöffnet sowie ein Pumprohr mittig an das Ent
ladungsgefäß angesetzt. Nachdem in die offenen Rohr
enden jeweils ein Elektrodensystem eingeführt und
eingeschmolzen wurde, werden die Füllsubstanzen und
das Füllgas durch das Pumprohr in das Entladungs
gefäß eingebracht und letztlich das Pumprohr abge
schmolzen. Dieses aufwendige, arbeitsintensive Her
stellverfahren hat den gravierenden Nachteil, daß an
dem ohnehin sehr kleinen Entladungsgefäß - seine
Länge beträgt nur ca. 7,5 mm, sein Durchmesser nur
ca. 5,5 mm - durch das Ansetzen und Abschmelzen des
Pumprohres Inhomogenitäten in der Materialverteilung
entstehen, die zum einen die Cold-Spot-Temperatur und
damit die Lichtfarbe der Lampe nachteilig beein
flussen und zum anderen die von der Lampe emittierte
Strahlung in einem nicht reproduzierbaren Maß streuen,
was sich bei dem vorgesehenen Einsatz dieser Lampen in
optischen Systemen besonders nachteilig bemerkbar
macht.
Des weiteren ist bei dieser Art Lampen die Anlaufzeit
zwischen der Zündung und dem Erreichen des Endlicht
stroms noch immer unbefriedigend. Sie beträgt bei
einer konventionell betriebenen Lampe ca. 40 sec. In
dem DE-GM 86 23 908 wurde deshalb vorgeschlagen, die
Lampe im ausgeschalteten Zustand fremd zu beheizen, um
so die Füllsubstanzen verdampft zu halten und auf
diese Weise von einem höheren Temperatur- und damit
Druckniveau ausgehend eine verkürzte Anlaufzeit von
nur ca. 8 sec zu erreichen. Abgesehen von der für die
Fremdheizung erforderlichen zusätzlichen elektrischen
Energie und dem damit verbundenen Installationsauf
wand ist aber auch eine derart verkürzte Anlaufzeit
für viele Anwendungszwecke noch immer nicht befrie
digend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Anlaufzeit der Metallhalogenidlampe noch weiter zu
verkürzen. Auf eine Fremdbeheizung der Lampe soll mit
Rücksicht auf den zusätzlichen Energieverbrauch und
die Maßnahmen für die Energieversorgung verzichtet
werden. Außerdem soll ein einfaches Herstellverfahren
für die in Frage kommenden Lampen geschaffen werden,
bei dem keine inhomogene Materialverteilung am Entla
dungsgefäß auftritt, um die zuvor beschriebenen Nach
teile auszuschalten.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die im
Hauptanspruch aufgeführte Folge von Arbeitsschritten
gelöst. Den Unteransprüchen sind weitere Details für
die Herstellung der Metallhalogenid-Hochdruckent
ladungslampen entnehmbar. Da die Arbeitsschritte des
Füllens und Verschließens des Entladungsgefäßes in der
hochreinen Atmosphäre der Glovebox erfolgen, können
Verunreinigungen durch Fremdgase, wie H2, O2 oder
durch H2O, auf ein Minimum reduziert werden. Durch
das Einfrieren des im verschlossenen Entladungsgefäß
enthaltenen Xenon auf mindestens -112°C kann die
zweite Quetschung außerhalb der Glovebox zügig herge
stellt werden. Mit der beschriebenen Herstellungsweise
wird eine erhebliche Verkürzung der Verfahrenszeit und
eine Vereinfachung des gesamten Herstellverfahrens
erreicht. Aufgrund des am Entladungsgefäß nicht mehr
vorhandenen Pumprohres treten auch dort keine unter
schiedlichen Wanddicken oder Inhomogenitäten anderer
Art auf, wodurch die Strahlungsemission der Lampe sehr
viel gleichmäßiger erfolgt als bei den bekannten
Lampen mit Pumprohr. Das Xenon im Entladungsgefäß
bewirkt einen hohen Sofortlichtanteil im unmittelbaren
Anschluß an die Zündung, so daß auch schon vor dem
Verdampfen der Metallhalogenide ein ausreichend hoher
Lichtstrom zur Verfügung steht. Die Lampe ist für den
Einsatz in optischen Systemen besonders geeignet, wie
z. B. in Kraftfahrzeugscheinwerfern, bei denen es auf
eine äußerst präzise Justierung und Anordnung der
Hell-/Dunkelgrenze ankommt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von 6 Figuren
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a bis c die Herstellung eines vorgeformten
Entladungsgefäßes,
Fig. 2 ein Elektrodensystem,
Fig. 3 das Entladungsgefäß mit vorhandener erster
Quetschung,
Fig. 4a bis d die Bearbeitungsschritte in der
Glovebox,
Fig. 5 eine fertige Metallhalogenidhochdruckentla
dungslampe,
Fig. 6 die Anlaufkurve des Lichtstroms ϕ für die
erfindungsgemäße Lampe.
Fig. 1a zeigt das auf eine Länge von ca. 150 mm ge
schnittene Rohr 1 aus Quarzglas. Der Außendurch
messer des Rohres beträgt ca. 4,5 mm, der Innendurch
messer d ca. 2 mm.
Mit Hilfe der Flammen 2 wird zunächst das in Rotation
versetzte Rohr 1 erwärmt und nach Erreichen der Ver
formungstemperatur werden mittels der Formrolle 3
gleichzeitig beide Einschnürungen 4, 5 mittig und in
einem definierten Abstand zueinander angebracht
(Fig. 1b). Während des Erwärmens und des Verformens
wird von einer Seite ein Stickstoffstrom N2 mit
einer Menge von ca. 10 l/h durch das Rohr 1 geführt.
Durch das Anbringen der Einschnürungen 4, 5 wird das
zukünftige Entladungsgefäß 6 (Fig. 1c) in seiner Länge
von ca. 7,5 mm genau abgegrenzt. Die Einschnürung 4
weist einen geringeren lichten Durchmesser auf als die
Einschnürung 5. Hierdurch entsteht zwischen den beiden
Einschnürungen im erwärmten Bereich des zukünftigen
Entladungsgefäßes 6 ein Gasstau p des Stickstoff
stromes N2, so daß dieser Bereich etwas aufgeblasen
wird und seine olivenförmige Gestalt mit einem Außen
durchmesser von ca. 5,5 mm annimmt.
Im nächsten Arbeitsgang wird das vorgefertigte Elek
trodensystem (Fig. 2) in dasjenige Ende des Rohres 1
eingequetscht, das die Einschnürung 4 mit dem gerin
geren Durchmesser aufweist. Das Elektrodensystem be
steht aus einer Elektrode 7 aus Wolfram, einer Dich
tungsfolie 8 aus Molybdän sowie aus einer Stromzufüh
rung 9 aus Molybdän. Die Elektrode 7 ist an ihrem im
Entladungsgefäß 6 angeordneten Ende mit einer Kugel 10
versehen. Die Stromzuführung 9 ist in der y-z-Ebene
zickzackförmig gebogen, wobei der Winkel α, um den
die gebogene Stromzuführung 9 von der x-z-Ebene
abweicht, kleiner als 45°, vorzugsweise ca. 20°-30°
ist. Die Höhe h, das ist jener Betrag, um den der
Knick- oder Umkehrpunkt 11 der gebogenen Stromzufüh
rung 9 von der x-z-Ebene abweicht, ist größer als der
halbe Innendurchmesser d des Rohres 1. In der Praxis
hat sich ein Verhältnis entsprechend h ≃ 0,55 d
bewährt. Die Dichtungsfolie 8 ist in der x-z-Ebene
ausgerichtet, also senkrecht zur y-z-Ebene der
gebogenen Stromzuführung 9. Ein derart geformtes
Elektrodensystem haltert sich innerhalb des Rohres 1
von selbst, indem die Knick- oder Umkehrpunkte 11 der
Stromzuführung 9 klemmend an der Rohrinnenwand
anliegen. Einmal an seiner vorbestimmten Position
einjustiert, behält das Elektrodensystem diese bis zur
endgültigen Fixierung bei. Zur sicheren Abstützung der
Stromzuführung 9 an der Innenwand des Rohres 1 sind
mindestens drei Knick- oder Umkehrpunkte 11 an jeder
Stromzuführung 9 angebracht. Eine derart gestaltete
Stromzuführung 9 zentriert sich in der Achse des
Rohres 1 von selbst. Dadurch wird auch automatisch
eine Zentrierung der Elektrode 7 im Entladungsgefäß 6
in der x-Koordinate der Dichtungsfolie 8 erreicht.
Eine eventuell mögliche Dezentrierung senkrecht zur
Ebene der Dichtungsfolie 8, also in der y-Koordinate,
z. B. durch Verbiegen der Dichtungsfolie 8, wird beim
Quetschvorgang ausgeglichen.
Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, wird anschließend die
erste Quetschung 12 hergestellt. Hierfür wird das
Rohr 1 im Bereich der Dichtungsfolie 8 auf eine für
die Verformung geeignete Temperatur von oberhalb
ca. 2200°C gebracht. Gleichzeitig wird ein Argonstrom
durch das vorgeformte Rohr 1 geleitet. Nachdem die
Quetschtemperatur erreicht ist, wird die erste Quet
schung 12 hergestellt. Es wird zuerst die Quetschung
abgedichtet, die der Einschnürung 4 mit dem geringeren
Durchmesser benachbart ist. Die Herstellung der Quet
schung an sich ist ein dem Fachmann im Lampenbau be
kannter Vorgang und in den Figuren nicht gesondert
dargestellt.
Das mit der ersten Quetschung 12 versehene Rohr 1
wird nun beim Einschleusen in die Glovebox zur
Reinigung einer Hochvakuumglühung bei < 400°C und
< 2×10-5 mbar unterzogen. Die Glovebox 13 ist mit
Xenon gefüllt. Der Fülldruck weicht um nicht mehr als
einige 10 mbar vom umgebenden Atmosphärendruck ab.
Das Füllgas Xenon der Glovebox 13 entspricht dem
künftigen Füllgas der Metallhalogenidhochdruckentla
dungslampe. Die Arbeitsschritte innerhalb der Glovebox
13 sind in der Fig. 4 dargestellt.
Fig. 4a zeigt die einseitig gequetschte Lampe der
Fig. 3 in der Glovebox 13. Als Nächstes werden in das
wieder erkaltete Entladungsgefäß 6 zuerst die Füll
substanzen, bestehend aus einer Metallhalogenid-Pille
14 und einer Quecksilber-Kugel 15 und weiterhin das
zweite Elektrodensystem (Fig. 4b) eingebracht. Die
Füllsubstanzen fallen durch die noch offene Einschnü
rung 5 mit dem größeren Durchmesser in das Entla
dungsgefäß 6. Das Elektrodensystem wird, wie schon
zuvor bei der Vorbereitung auf die erste Quetschung
12, selbsthalternd an seine ihm vorbestimmte Stelle in
Position einjustiert, so daß die Elektrode 7 inner
halb des Entladungsgefäßes 6 angeordnet ist und der
Abstand der Kugeln 10 beider Elektroden 7 genau seinen
vorgesehenen Wert erhält. Danach wird das Quarzrohr 1
an seinem offenen Ende innerhalb der Glovebox 13
mittels eines Plasmabrenners 16 oder eines Lasers
dichtgeschmolzen (Fig. 4c), so daß nur noch eine
Abschmelzspitze 17 (Fig. 4d) verbleibt.
In einer Alternative zu dem zuvor beschriebenen Ver
fahren ist die Glovebox 13 mit Argon gefüllt und das
Xenon für die gewünschte endgültige Füllung der Lampe
wird innerhalb der Glovebox 13 gesondert eingefüllt.
Dies erfolgt, indem das Xenon durch eine Spülkanüle
durch das noch offene Ende des Rohres 1 in das Entla
dungsgefäß 6 geblasen wird. Nach dem Einbringen der
Füllsubstanzen 14, 15 und des zweiten Elektroden
systems 7 bis 10 wird nochmals mit Xenon gespült. An
stelle der zweimaligen Spülung mit Xenon kann auch
nach dem Einbringen des zweiten Elektrodensystems
7-10 mit Hilfe eines in der Glovebox 13 angeordneten
Pumpkopfes ein Gasaustausch vorgenommen werden. An
schließend wird das zweite, noch offene Ende des
Rohres mit dem Plasmabrenner verschlossen, wie bereits
zuvor beschrieben. Bei einem derart verschlossenen
Lampengefäß wird sich eine Mischung von der Argon-
Atmosphäre der Glovebox 13 und des Füllgases Xenon
einstellen. Der Xenon-Anteil im Lampengefäß wird bei
ca. 50 bis 95% liegen, je nach Verweildauer des
Rohres zwischen dem Gasaustausch und dem Abschmelzen.
Durch den Fülldruck und die Zusammensetzung der Füll
gase kann der später im Entladungsgefäß 6 resultie
rende Xenon-Kaltfülldruck vorbestimmt werden. Das
verschlossene Lampengefäß hat einen Kaltfülldruck von
ca. 800 mbar.
Anstelle einer Glovebox-Atmosphäre mit Argon, wie in
der Alternative beschrieben, ist auch eine Füllung der
Glovebox 13 mit Stickstoff oder Helium denkbar, wobei
das Xenon dann wieder mittels einer Spülkanüle oder
eines Pumpkopfes, wie zuvor beschrieben, eingefüllt
werden muß. Der Vorteil eines solchen Vorgehens liegt
darin, daß für die Füllung der Glovebox 13 ein billi
geres Gas verwendet wird und das teure Xenon selbst
ausschließlich für die Füllung der Lampengefäße ver
wendet wird.
Die vorgefertigte Lampe wird jetzt wieder der Glovebox
13 entnommen. Danach wird, wie schon bei der ersten
Quetschung 12 beschrieben, der Bereich um die Dich
tungsfolie 8 des zweiten Elektrodensystems auf die
Quetschtemperatur von ca. 2200°C aufgeheizt und die
zweite Quetschung 18 (Fig. 5) angebracht, indem das
zweite Elektrodensystem eingequetscht wird. Während
des Aufheiz- und Quetschvorganges wird der Bereich des
Entladungsgefäßes 6 mittels flüssigem Stickstoff auf
mindestens -112°C gekühlt, um das Xenon im Entla
dungsgefäß 6 auszufrieren und ein Verdampfen des
Metallhalogenids 14 und Quecksilbers 15 zu verhindern.
Diese tiefe Temperatur muß solange gehalten werden,
bis die Quetschung erfolgt ist. Die hohe Temperatur
differenz von ca. 2400 K auf einer Länge von nur
ca. 6 mm wird erreicht, indem die Flammen durch Ab
schirmbleche abgehalten werden, während gleichzeitig
der untere Bereich des Entladungsgefäßes durch
Anspritzen mit dem flüssigen Stickstoff gekühlt wird.
Aufgrund der geringen aufzuheizenden Masse der Quet
schung 18 wird der Quetschungsbereich bis zum Aus
führen der Quetschung 18 nur während ca. 5 bis 6 sec
aufgeheizt. Die Quetschung 18 selbst kann anschlie
ßend mit Blasluft abgekühlt werden. Der im Entla
dungsgefäß 6 resultierende Xenon-Kaltfülldruck liegt
im Bereich 1 bis 30 bar. Er ergibt sich bei vollstän
digem Ausfrieren des Xenon aus dem Xe-Partialdruck im
dichtgeschmolzenen Rohr 1 (Fig. 4d) und dem Verhält
nis der Volumina vom Rohr 1 : Entladungsgefäß 6. Bei
einem typischen Xe-Partialdruck im Rohr 1 von 600
bis 800 mbar, einem Rohrvolumen von 0,30 cm3 und
einem Entladungsgefäßvolumen von 0,025 cm3 resultiert
ein Xenon-Kaltfülldruck im Entladungsgefäß 6 von
7 bis 10 bar.
Des weiteren kann auch das Füllen der Quecksilber-
Kugel 15 weggelassen werden. Die Rolle des Quecksil
bers im Entladungsgefäß wird dann durch das Xenon
übernommen. Gegenüber den herkömmlichen Xenon-Hoch
drucklampen kann mit der Metallhalogenidfüllung
(z. B. NaSc) die Lichtfarbe gesteuert und durch den
Kreisprozeß eine höhere Lebensdauer erreicht werden.
Abschließend wird die Lampe der Quetschvorrichtung
entnommen und es werden die über die Quetschungen 12,
18 hinausstehenden Rohrenden 1 ganz oder teilweise
entfernt. Auch der zickzackförmig ausgeführte Teil der
Stromzuführungen 9 kann entfernt werden. Eine fertige
Metallhalogenidhochdruckentladungslampe 19 ist in
Fig. 5 dargestellt. Mit den Lampen und der erfin
dungsgemäßen Füllung wird eine Erhöhung der Lichtaus
beute um mehr als 15% erreicht.
Der Anlauf des Lichtstroms einer derartigen Lampe ist
in der Fig. 6 dargestellt. Die Lampe 19 selbst wurde
an einem elektronischen, den Anlaufstrom regelnden
Vorschaltgerät betrieben. Der Xenon-Kaltfülldruck im
Entladungsgefäß 6 beträgt ca. 6 bar. Der Anlaufstrom
liegt bei ca. 3,3 A, was etwa dem 8,5fachen Nennstrom
der Lampe 19 entspricht. Wie hier deutlich zu erkennen
ist, wird der 30%-Lichtstrom ϕ aufgrund der Xenon-
Füllung quasi sofort nach der Inbetriebnahme und der
90%-Lichtstrom schon bei ca. 1 sec erreicht.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung einer zweiseitigen Hoch
druckentladungslampe, wobei die Lampe (19) ein Ent
ladungsgefäß (6) mit zwei an gegenüberliegenden Seiten
des Entladungsgefäßes angeordneten Einschmelzungen
oder Quetschungen (12, 18) aufweist, in die jeweils
ein Elektrodensystem gasdicht eingeschmolzen ist, das
aus einer im Entladungsgefäß (6) angeordneten Elek
trode (7), einer von der Einschmelzung oder Quetschung
(12, 18) eingebetteten Dichtungsfolie (8) und einer
aus der Einschmelzung oder Quetschung (12, 18) in
Lampenlängsachse austretenden Stromzuführung (9)
besteht, und das Entladungsgefäß (6) eine den Betrieb
aufrechterhaltende Füllung enthält, gekennzeichnet
durch den Ablauf folgender Arbeitsgänge:
- a) Erwärmen und Einrollen eines durchgehend zylindri schen Rohres (1) aus Quarz auf eine vorbestimmte Länge zur Abgrenzung des künftigen Entladungs gefäßes (6).
- b) Einführen und Ausrichten eines ersten, vorgefer tigten Elektrodensystems (7-10) in ein Ende des Rohres (1).
- c) Erwärmen des Rohres (1) im Bereich der Dichtungs folie (8) des ersten Elektrodensystems und Her stellen einer ersten Einschmelzung in Form einer Quetschung (12).
- d) Einbringen der Füllsubstanzen (14, 15) durch das zweite, noch offene Ende des Rohres (1).
- e) Fluten des Entladungsgefäßes (6) mit einem Edelgas durch das zweite, noch offene Ende des Rohres (1).
- f) Einführen und Ausrichten des zweiten, vorgefer tigten Elektrodensystems (7-10) durch das zweite, noch offene Ende des Rohres (1).
- g) Verschmelzen des noch offenen Rohres (1) an seinem dem Entladungsgefäß (6) abgewandten Ende.
- h) Erwärmen des Rohres (1) im Bereich der Dichtungs folie (8) des zweiten Elektrodensystems (7-10) und Herstellen der zweiten Einschmelzung in Form einer Quetschung (18).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Arbeitsgänge a) und c) ein Inertgas
strom durch das offene Rohr (1) geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß nach dem Arbeitsgang c) das Entladungs
gefäß (6) im Hochvakuum geglüht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Arbeitsgänge d) bis g) innerhalb
eines hermetisch abgeschlossenen Systems (13) durch
geführt werden, wobei dieses, wie auch das zukünftige
Entladungsgefäß (6), das gleiche Edelgas als Füllgas
enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Edelgas Xenon ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Arbeitsgänge d) bis g) innerhalb
eines hermetisch abgeschlossenen Systems (13) durch
geführt werden, wobei dieses ein von dem Füllgas des
Entladungsgefäßes (6) abweichendes Inertgas enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß vor den Arbeitsgängen d) und g) das zukünftige
Entladungsgefäß (6) mit dem endgültigen Füllgas
geflutet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Durchführung des Arbeitsganges g)
ein Plasmabrenner (16) oder ein Laser verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Durchführung des Arbeitsganges h)
das Entladungsgefäß (6) teilweise auf mindestens
-112°C gekühlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Durchführung der Arbeitsgänge b) und
f) die Stromzuführung (9) eine sich innerhalb des
Rohres (1) selbsthalternde Gestalt aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Stromzuführung (9) mit mindestens drei
Auflagepunkten (11) an der Innenwand des Rohres (1)
abgestützt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Anschluß an den Arbeitsgang h) das
jeweilige, über die Einschmelzung oder Quetschung (12,
18) hinausstehende Rohr (1), in dem auch der die
Auflagepunkte (11) aufweisende Teil der Stromzuführung
(9) angeordnet ist, ganz oder teilweise abgetrennt
wird.
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1989
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