DE69707350T2 - Elektrodenanordnung für Natrium-Hochdruckentladungslampe und deren Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

ERFINDUNGSGEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft Hochdruckentladungslampen und insbesondere Hochdrucknatriumlampen. Sie betrifft insbesondere Kathoden und Kathodenbaugruppen für derartige Natriumlampen und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Kathoden und Kathodenbaugruppen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Bei Hochdrucknatriumlampen (HPS-Lampen = high pressure sodium) ist die Lichtbogenröhre aus einkristallinem Aluminiumoxid (Saphir) oder polykristallinem Aluminiumoxid (PCA) hergestellt. Die Enden des Entladungsrohrs sind mit gasdichten Keramik-Metall- Dichtungen zwischen dem Entladungsrohr und einem Paar von Niob-Stromzuleitungen, an denen Wolframkathoden befestigt sind, verschlossen. Als Material für die Zuleitungen wird Niob verwendet (das einen Zusatz von etwa 1% Zirconium enthalten kann) verwendet, da sein Wärmeausdehnungskoeffizient dem der Lichtbogenröhre aus Aluminiumoxid gut entspricht. Weiterhin ist Niob bei hohen Temperaturen gegenüber Natrium beständig und hat gegenüber Wasserstoff eine relativ hohe Durchlässigkeit, wodurch Wasserstoffverunreinigungen in der Lichtbogenröhre daraus entweichen können und von einem Getter in dem die Lichtbogenröhre umgebenden Außenkolben sorbiert werden können. Die Stromzuleitung aus Niob kann in Form eines Drahts (US-Patent Nr. 4,538,091) oder einer Röhre (US-Patente Nrn. 4,559,473; 5,026,311; 5,424,608) vorliegen, an dem die Wolframelektroden üblicherweise durch Quetschen und/oder Schweißen oder durch Hartlöten, üblicherweise mit Titan, befestigt sind.
• Ein kritisches Merkmal von HPS-Lampen ist die als die innere Entfernung zwischen Elektrodenspitzen in der Lichtbogenröhre definierte Länge des Lichtbogens. Um die Position von Elektroden innerhalb einer Lichtbogenröhre zu steuern, ist an den Zuleitungen aus Niob ein Positioniermerkmal vorgesehen. Dieses Positioniermerkmal können geschweißte feine Drähte an der Zuleitung sein, wie sie etwa in dem obenerwähnten US-Patent Nr. 5,206,311 gezeigt sind; Drahtclips, die mit Reibung angebracht sind, wie sie etwa im US-Patent Nr. 4,538,091 gezeigt sind; an der Zuleitung ausgebildete Verformungen, wie sie etwa in den US- Patenten Nrn. 4,559,473 und 4,937,494 gezeigt sind; oder besonders geformte, zusammenwirkende Öffnungen, die in den Enddichtungen der Lichtbogenröhren ausgebildet sind, wie etwa in dem US-Patent Nr. 5,424,608 gezeigt. Die Stelle des Positionierungsmerkmals ist wichtig zum Bestimmen des hinteren Raums, wobei der hintere Raum die Entfernung zwischen der oberen bzw. lampenseitigen Oberfläche des Positionierungsmerkmals und der Oberseite der Kathodenspule ist. Durch diesen Abstand wird die Länge des Lichtbogens bestimmt. Welches Merkmal auch immer in der Vergangenheit zum Einsatz gekommen ist, es ist erforderlich, daß, falls die Zuleitung mit mehreren Lampentypen verwendet werden soll, es an einer anderen Position an der Zuleitung ausgebildet ist. Dieser Vorgang kann die Kosten der Herstellung von Lampen erhöhen und zu Fehlern bei der Elektrodenauswahl führen.
• Aus US-A 4,359,664 ist ein Verfahren zum Anbringen einer Kathode bekannt, die zur Verwendung in in Kathodenstrahlröhren eingesetzten Elektrodenkanonen verwendet wird. Der als "Bodenkontakt" ("eyelet") bezeichnete Kathodenfuß weist mehrere Durchmesser auf, wobei ein erster Teil einen Durchmesser aufweist, der viel größer ist als der größte Durchmesser der Kathode. Ein zweiter Teil mit einem elliptischen Querschnitt weist einen Durchmesser auf, der bei Druck auf die Längsachse der Ellipse geringfügig größer ist als der größte Durchmesser der Kathode, um die Kathode, wenn der Druck entlastet wird, mit. Reibung in Eingriff zu nehmen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, HPS- Lampenelektroden- und Elektrodenbaugruppen zu verbessern.
• Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Herstellung von Elektrodenbaugruppen ökonomischer zu gestalten.
• Unter einem Aspekt der Erfindung werden diese Aufgaben durch die Bereitstellung eines Elektrodenfußes für eine Elektrode für eine Lichtbogenentladungslampe gelöst. Der Elektrodenfuß besteht aus einem rohrförmigen, elektrisch leitenden Körper, der ein erstes Endstück mit einem ersten Innendurchmesser und ein zweites Endstück mit Gebieten mit einem zweiten und dritten Innendurchmesser aufweist, wobei der zweite und der dritte Innendurchmesser kleiner sind als der erste Innendurchmesser und der zweite Innendurchmesser kleiner ist als der dritte Innendurchmesser. Ein Positionierungsring ist um ein Zwischenteil des ersten Endstücks herum ausgebildet.
• Unter einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben durch die Bereitstellung einer Elektrodenbaugruppe gelöst, die aus einer Elektrode besteht mit einem stabförmigen, massiven Kern aus einem elektrisch leitenden Material, um dessen eines Ende eine Spule aus elektrisch leitendem Material gewickelt ist; und einem Elektrodenfuß wie oben beschrieben. Der Außendurchmesser des stabförmigen Kerns ist im wesentlichen genauso groß wie der zweite Durchmesser und steht mit dem zweiten Ende des Fußes mit Reibung in Eingriff.
• Die Aufgaben werden zusätzlich weiter durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Elektrodenbaugruppe für eine Entladungslampe gelöst, mit den folgenden Schritten: Ausbilden eines Elektrodenfußes, der ein Elektrodenpositionierungsmerkmal enthält; Ausbilden einer Elektrode; Positionieren des Elektrodenfußes an einer Arbeitsstation Einführen der Elektroden mit Reibung in den Elektrodenfuß; Einstellen des hinteren Raums auf eine vorbestimmte Abmessung; und Anschweißen der Elektrode an den Elektrodenfuß zur Ausbildung der Elektrodenbaugruppe.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist teilweise im Schnitt eine Vorderansicht einer Lichtbogenentladungs-Lichtquelle, bei der eine Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz kommt;
• Fig. 2 ist im Schnitt eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines Elektrodenfußes;
• Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines stabförmigen Kerns, der mit der Erfindung verwendet wird;
• Fig. 4-6 sind im Schnitt Vorderansichten von Schritten bei der Herstellung einer Elektrodenbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 7 und 8 sind im Schnitt Vorderansichten, die die mit der Erfindung erzielbare Veränderlichkeit der Größe darstellen; und
• Fig. 9 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Elektroden der Erfindung.
BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Zum besseren Verständnis der vorlegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.
• Nunmehr im einzelnen auf die Zeichnungen Bezug nehmend wird in Fig. 1 eine Lichtbogenröhre 10 für eine Hochdrucknatriumlampe gezeigt. Die Lichtbogenröhre 10 weist einen rohrförmigen Körper 12 auf, der mindestens für sichtbare Strahlung durchscheinend ist und aus Aluminiumoxid oder Yttriumoxid hergestellt ist. Bei Einsatz von Aluminiumoxid wird üblicherweise das polykristalline Aluminiumoxid verwendet, und es kann Dotierstoffe enthalten, die, wie in der Technik bekannt, die Steuerung der Teilchengröße unterstützen. Es kann auch einkristallines Aluminiumoxid (d. h. Saphir) verwendet werden. Der Lichtbogenröhrenkörper 12 ist an beiden Enden durch Abdichtscheiben 14 abgedichtet, in denen jeweils eine Elektrodenbaugruppe 16 vergossen ist. Die Scheiben 14 können auf jede beliebige geeignete Weise in den Enden des Körpers 12 abgedichtet werden, wozu beispielsweise zählt: Preßpassung durch Erhitzen des Lichtbogenröhrenkörpers, wobei sich die Abdichtscheibe in Position befindet, und unter Einsatz eines kontrollierten Schrumpfens oder indem eine Abdichtfritte verwendet wird. Die Elektrodenbaugruppe 16 kann auf die gleiche Weise in der Scheibe vergossen werden, obwohl die Verwendung einer Abdichtfritte bevorzugt wird. Bei Einsatz einer Abdichtfritte kann der Abdichtvorgang so ablaufen, daß der Lichtbogenröhrenkörper 12 mit seiner Abdichtscheibe 14 und einer Elektrodenbaugruppe 16 mit einem Frittenring darum herum in vertikaler Position in einem Vakuumofen angeordnet wird, wobei das Elektrodenende nach unten zeigt. Der Ofen wird dann unter einen Druck von 0,13 Pa (Submikrometer-Vakuum) auf Vakuum evakuiert, und die Baugruppe wird ausreichend aufgeheizt, so daß die Abdichtfritte schmilzt und fließt: die Abdichttemperatur beträgt etwa 1400ºC. Die Fritte fließt vollständig um den Elektrodenfuß 24 herum und in den Kapillarraum 17 zwischen dem Fuß 24 und der Scheibe 14. Der Kapillarraum ist nur einige Dutzend Mikrometer (ein paar Millizoll) dick. Die Fritte ist aus einem Material, das üblicherweise beim Abdichten von aus Aluminiumoxid bestehtenden Lichtbogenröhren für HPS-Lampen verwendet wird, und zwar in der Hauptsache Aluminiumoxid und Erdalkalioxide, in erster Linie Calciumoxid, wie in der Technik bekannt ist. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 3,986,236. In der hermetisch abgedichteten Lichtbogenröhre 10 ist ein Medium enthalten, das Lichtbogen erzeugt und aufrechterhält und das Natrium, Quacksilber und ein Edelgas enthalten kann, wie bekannt ist. Der Natriumarbeitsdampfdruck in derartigen Lampen liegt in der Größenordnung von 66,7 bis 133,3 mbar (50 bis 100 Torr), und es läßt sich eine Lichtausgabe von über 100 Lumen pro Watt erhalten.
• Die Elektrodenbaugruppe 16 umfaßt eine Elektrode 18 mit stabförmigem, massivem Kern 20 aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material, wie etwa Wolfram, eine um ein Ende davon gewickelte und daran befestigte Wolframspule 22 und einen Elektrodenfuß 24. Der Elektrodenfuß 24 umfaßt einen röhrenförmigen, elektrisch leitenden Körper 26, der aus einem geeigneten Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, der mit dem der PCA-Abdichtscheibe 14 kompatibel ist. Derartiges Material kann Niob sein und ist vorzugsweise Niob, das etwa 1% Zirconium enthält. Der Körper 26 (siehe Fig. 2) weist ein erstes Ende 28 mit einem ersten Durchmesser 30 und ein zweites Ende 32 mit einem zweiten Durchmesser 34 und einem dritten Durchmesser 36 auf. Die letzteren beiden Durchmesser sind beide kleiner als der Durchmesser 30, und der zweite Durchmesser 34 ist kleiner als der dritte Durchmesser 36. Ein Positionierungsmerkmal 38 in der Art eines Rings 40 ist um ein Zwischenteil des ersten Endes 28 herum positioniert.
• Der massive, stabförmige Kern 20 weist einen Durchmesser 42 auf, der genauso groß ist wie der zweite Durchmesser 34, und ist mit Enden 44 versehen, die, wie in Fig. 3 gezeigt, verjüngt sein können oder, wie in Fig. 4-6 gezeigt, abgerundet sein können, um die Einführung in das zweite Ende 32 zu unterstützen. Da der Durchmesser 42 des Kerns 20 dem des zweiten Durchmessers 34 entspricht, ist ein Reibeingriff bereitgestellt.
• Die Kathodenbaugruppe 16 ist wie in Fig. 4-6 gezeigt ausgebildet, wobei ein Elektrodenfuß 24 an einer ersten Arbeitsstation positioniert ist und eine zuvor ausgebildete Kathodenelektrode 18 in den Elektrodenfuß 24 eingeführt ist, um einen geeigneten hinteren Raum zu erhalten. Die Elektrode 18 wird anfänglich durch den Reibeingriff des Stabs 20 mit den Wänden des zweiten Endes 26, das durch den zweiten Durchmesser 34 der Basis 24 definiert wird, gehalten. Wenn der gewünschte hintere Raum festgelegt ist, wird die Elektrode 18 vorzugsweise durch Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG- Schweißen) ohne Zugabe irgendeines zusätzlichen Materials an den Fuß 24 angeschweißt. Um sicherzustellen, daß durch den Schweißvorgang die Ausrichtung der Elektrode 18 in dem Fuß 24 nicht gestört wird, weist das zweite Ende 32 ein querverlaufendes Wandteil 46 mit einer Wandstärke auf, die doppelt so dick ist wie die Wandstärke des ersten Endes 28.
• Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 ist ersichtlich, wie identische Komponenten des Fußes 24 und der Elektrode 18 die Elektrodenbaugruppe 16a mit einem hinteren Raum "A" und die Elektrodenbaugruppe 16b mit einem hinteren Raum "B", der wesentlich größer ist als "A", bilden kann, wodurch bei Verwendung in einer Lichtbogenröhre mit der gleichen Länge eine viel kleinere Lichtbogenstrecke bereitgestellt wird.
• Es ist ersichtlich, daß somit viele Vorteile im Vergleich mit dem Stand der Technik bereitgestellt werden. Der hintere Raum kann leicht gesteuert werden, indem eingestellt wird, wie weit der Wolframstab 20 in den Elektrodenfuß 24 eingeführt wird. Das Gebiet am Fuß 24, das den Reibeingriff mit dem Stab 20 liefert, ist aufgrund seiner dickeren Wand derart ausgeführt, daß es während des "WIG"-Schweißens nicht schmilzt, wodurch sichergestellt wird, daß es zu keiner Relativbewegung zwischen dem Stab 20 und dem Elektrodenfuß 24 kommt. Durch dieses Design des Elektrodenfußes wird die Menge an Elektrodenfußmaterial erheblich reduziert, die zur Bildung der hermetischen Verbindung zwischen dem Fuß 24 und dem Stab 20 aufgeschmolzen werden muß, was kürzere Schweißzeiten und eine erhöhte Produktivität gestattet.
• Während des Elektrodenmontageprozesses muß an dem Elektrodenfuß kein Positionierungsmerkmal für den hinteren Raum ausgeführt werden, da das Positionierungsmerkmal 38 vor dem Elektrodenmontagevorgang hergestellt wird. Historisch gesehen, ist die Einstellung des hinteren Raums bei der Herstellung der Elektrodenbaugruppe derjenige Schritt gewesen, der die Geschwindigkeit beschränkt.
• Der an dem Elektrodenfuß 24 ausgebildete Ring 40 beeinflußt nicht die Röhrenfestigkeit für den Verbindungsvorgang oder die Lichtbogenröhrenmontage in einer fertiggestellten Lampe, und die Elektrodenbaugruppe 16 ist mit bestehenden Lichtbogenröhrenabdichtprozessen und -materialien kompatibel.
• Der zuvor mit einem geraden röhrenförmigen Design verwendete Quetschvorgang, wie etwa der in dem US- Patent Nr. 5,343,117 gezeigte, entfällt.
• Durch die feste äußere Länge des Elektrodenfußes 24 werden die Auslegung und der Betrieb von automatischen Montagesystemen erleichtert, und durch den Einsatz einer einzigen Wolframstablänge für alle Lampenarten, bei denen verschiedene hintere Räume zum Einsatz kommen können, werden die Materialvorräte reduziert und es kann zu keiner Materialverwechslung kommen.
• Wenngleich diejenigen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, die gegenwärtig als die bevorzugten Ausführungsformen angesehen werden, so ist für den Fachmann doch ersichtlich, daß daran verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims (5)

1. Elektrodenfuß (24) für eine Elektrode für eine Lichtbogenentladungslampe, wobei der Elektrodenfuß aus einem rohrförmigen, elektrisch leitenden Körper (26) und einem um seinen Zwischenteil herum ausgebildeten Positionsring (40) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (26) ein erstes Endstück (28) mit einem ersten Innendurchmesser (30) und ein zweites Endstück (32) mit einem Gebiet mit einem zweiten Innendurchmesser (34) und mit einem Gebiet mit einem dritten Innendurchmesser (36) aufweist, wobei der zweite (34) und der dritte (36) Innendurchmesser kleiner sind als der erste Innendurchmesser und der zweite Innendurchmesser (34) kleiner ist als der dritte Innendurchmesser (36) und der Positionierungsring (40) um ein Zwischenteil des ersten Endstücks (28) herum ausgebildet ist.

2. Elektrodenfuß nach Anspruch 1, bei dem das erste Endstück (28) eine gegebene Wandstärke und das zweite Endstück (32) in dem Gebiet des zweiten Innendurchmessers ein Querteil (46) mit einer Wandstärke aufweist, die etwa das Doppelte der gegebenen Wandstärke beträgt.

3. Elektrodenbaugruppe (16), die folgendes umfaßt: eine Elektrode (18) mit einem stabförmigen, massiven Kern (20) aus einem elektrisch leitenden Material, um dessen eines Ende eine Spule (22) aus elektrisch leitendem Material gewickelt ist; und einen Elektrodenfuß (24) nach Anspruch 1 oder 2; wobei der Außendurchmesser des stabförmigen Kerns (20) im wesentlichen genauso groß ist wie der zweite Innendurchmesser (34) und mit dem zweiten Endstück (32) des Fußes mit Reibung in Eingriff steht.

4. Lichtbogenentladungs-Lichtquelle, die folgendes umfaßt: einen länglichen, durchscheinenden, hermetisch abgedichteten Keramikkörper (12), in dem sich ein einen Lichtbogen erzeugendes und aufrechterhaltendes Medium befindet; ein Abdichtungsglied (14), das jedes Ende des Körpers (12) verschließt; und eine in jedem der Enden befestigte Elektrodenbaugruppe (16), die nach Anspruch 3 ausgebildet ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenbaugruppe (16) für eine Entladungslampe, mit den folgenden Schritten: Ausbilden eines Elektrodenfußes (24), der ein Elektrodenpositionierungsmerkmal (38) enthält; Ausbilden einer Elektrode (18); Positionieren des Elektrodenfußes (24) an einer Arbeitsstation; Einführen der Elektrode (18) mit Reibung in den Elektrodenfuß (24); Einstellen des hinteren Raums (A; B) auf eine vorbestimmte Abmessung; und Anschweißen der Elektrode (18) an den Elektrodenfuß (24) zur Ausbildung der Elektrodenbaugruppe (16)