EP2526563B1 - Verfahren zum herstellen einer elektrode für eine hochdruckentladungslampe und hochdruckentladungslampe mit mindestens einer derart hergestellten elektrode - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäss Anspruch 1.
Stand der Technik
• Der Emissionsgrad von Elektroden von Entladungslampen hat auf die Performance und die geometrische Auslegung derartiger Entladungslampen einen entscheidenden Einfluss.
• Stand der Technik ist das Bepasten mit Metallpulvern oder Stoffgemengen mittels eines organischen Binders und das darauf folgende Einsintern beziehungsweise Anbacken an den Elektrodenkörper. Allerdings ist die bepastete und eingesinterte Schicht mechanisch wenig beständig, was zu einem teilweisen Abbröckeln bei Berührung führen kann.
• Aus der WO 2008/090030 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten einer Elektrode einer Entladungslampe bekannt. Dabei wird die Elektrode in dem Bereich oxidiert, in dem sie im Hals eines aus Glas gebildeten Entladungsraums gasdicht eingequetscht ist. Die Oxidation erfolgt auf chemischen Wege bei normaler Luftatmosphäre und Umgebungsluftdruck bei einer Temperatur zwischen 700 und 1300 K. Die Oxidschicht wird anschließend in einer Vakuumumgebung sublimiert, wobei die Temperatur während des Sublimierens zwischen 1450 K und 1900 K beträgt. Durch diese Vorgehensweise erhält die Elektrode in dem genannten Bereich eine Oberfläche mit feiner Rauigkeit, wodurch die Haftung der Oberfläche dieses Elektrodenabschnitts am Entladungsgefäßmaterial reduziert wird. Dadurch reduziert sich die Gefahr der Rissbildung im abgedichteten Bereich des Entladungsgefäßes. Während des Sublimationsschritts werden mit der Oxidschicht auch etwaige Verunreinigungen von der Oberfläche des Elektrodenabschnitts entfernt, wodurch die Haftung ebenfalls reduziert wird.
• Aus der US 6,626,725 B1 ist eine Entladungslampe bekannt, bei der eine stabförmige Elektrode aus Wolfram bereichsweise in einen Hals eines Entladungsgefäßes durch eine gasdichte Quetschung eingebracht ist und sich bereichsweise in einen Entladungsraum des Entladungsgefäßes erstreckt. Um eine Rissbildung des Entladungsgefäßes im Quetschungsbereich im Betrieb der Entladungslampe verhindern zu können, wird die Oberfläche der Elektrode bearbeitet. Zur Erzeugung einer elementaren Wolframschicht an der Oberfläche der Elektrode in dem Längenbereich, in dem die Elektrode im Quetschbereich angeordnet ist, wird zunächst eine Oxidschicht auf der Oberfläche erzeugt. Dabei kann beispielsweise eine Wolframtrioxidschicht erzeugt werden. Um die elementare Wolframschicht zu erzeugen, wird dann die oxidierte Elektrode bei etwa 1200°C in einem Wasserstoffofen, in dem Wasserstoff in Wasser aufsprudelt, erhitzt.
• Die EP 1 251 548 A1 lehrt ein Verfahren, um die thermischen Strahlungseigenschaften von Elektroden in einer Hochdruckentladungslampe vom Kurzbogentyp zu verbessern. Zu diesem Zweck werden Rinnen in die Oberfläche der Elektroden eingebracht. Die Rinnen weisen eine Tiefe auf, die kleiner gleich 12 % des Elektrodendurchmessers ist, wobei das Verhältnis aus Tiefe und Abstand der Rinnen größer gleich zwei ist. Zum Einbringen der Rinnen kann eine Laservorrichtung Verwendung finden. Die Rinnen können eckig oder gebogen ausgebildet sein, wobei zur Erzeugung von gebogenen Rinnen die Oberfläche geschliffen wird und anschließend elektrolytisch poliert wird in einer 10-%igen Natriumhydroxidlösung. Gebogene Rinnen können jedoch auch durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur in einem Vakuum erzeugt werden, beispielsweise indem die Oberfläche über 120 min bei 2000°C erhitzt wird.
• Aus DE102007015243 ist bekannt, Laserstrahlung zur Sublimation der Leuchtkörperoberfläche einer Halogenlampe oder auch zum Einbrennen / Abscheiden von Material auf dieser Oberfläche einzusetzen.
Darstellung der Erfindung
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, mit dem sich ein möglichst hoher Emissionsgrad für die Elektroden erzielen lässt. Dabei soll die Oberfläche der Elektrode mechanisch möglichst beständig sein. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, eine Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer derart hergestellten Elektrode bereitzustellen.
• Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein hoher Emissionsgrad grundsätzlich dann realisierbar ist, wenn die Elektrode ein verbessertes thermisches Abstrahlverhalten aufweist. Das thermische Abstrahlverhalten lässt sich durch Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode verbessern. Dabei muss jedoch sichergestellt werden, dass trotz vergrößerter Oberfläche der Elektrode die Leitfähigkeit der Elektrode nicht beeinträchtigt wird.
• Erfindungsgemäß wird deshalb zunächst zumindest ein Teil der Elektrodenoberfläche zur Erzeugung einer Oxidschicht mit einem hierfür geeigneten, energiereichen Strahl, beispielsweise einem elektromagnetischen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, oder einem Elektronen- oder Ionenstrahl, überstrichen. Durch entsprechende Wahl der Energiedichte wird dabei zumindest ein Teil der entstehenden Oxidschicht bereits sublimiert. Als Zwischenergebnis erhält man eine Elektrodenoberfläche, die zwar bereits extrem rau ist, jedoch oxidisch ist, das heißt eine reduzierte Leitfähigkeit aufweist. Aus diesem Grund wird in einem Folgeschritt die nicht sublimierte Oxidschicht zum Metall reduziert. Im Ergebnis entsteht eine extrem raue Oberfläche mit einem hohen Emissionsgrad, wobei der Emissionsgrad abhängig von der Strukturierung und Oxidation einstellbar ist. Die entstehende Oberfläche ist mechanisch sehr fest und sehr beständig. Überdies wird im Gegensatz zur aus dem Stand der Technik bekannten Bepastungsvariante keine zusätzliche Verunreinigung eingebracht.
• Im Gegensatz zur Erzeugung einer Oxidschicht auf chemischem Wege können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch nur Teilbereiche oxidiert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft zum Definieren unterschiedlicher Funktionsbereiche an der Elektrode.
• Im Vergleich zur definierten Einbringung von Rillen gemäß der Lehre der oben erwähnten EP 1 251 548 A1 lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr viel gröβere Oberfläche erzeugen und damit ein deutlich höherer Emissionsgrad realisieren.
• Zum Beispiel erfolgt in Schritt a) das Überstreichen zumindest auf einem Teil der Elektrode, der nach der Montage der Elektrode im Glaskolben der Hochdruckentladungslampe nicht im Glas des Glaskolbens eingebettet ist. Dadurch, dass die Bearbeitung auf den Teil der Elektrode beschränkt werden kann, der für die Emission von Bedeutung ist, ergibt sich eine Zeitersparnis und damit eine Reduktion der Herstellungskosten. Bevorzugt wird Schritt a) an Atmosphäre, insbesondere sauerstoffangereicherter Atmosphäre, durchgeführt. Da die Elektrode üblicherweise überwiegend aus Wolfram besteht, d.h. insbesondere aus dotiertem Wolfram, und Wolfram sehr reaktionsfreudig gegenüber Sauerstoff ist, lässt sich so auf einfache Weise Wolframoxid erzeugen.
• Weiterhin bevorzugt wird Schritt b) zeitgleich mit Schritt a) ausgeführt. Beim Überstreichen geht daher ein Teil des Wolframoxids durch Sublimation bereits in den gasförmigen Zustand über, während ein anderer Teil des Wolframoxids auf der Oberfläche der Elektrode verbleibt.
• Schritt c) wird bevorzugt in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere in einem Argon-Wasserstoff-Gemisch, ausgeführt. Ein bevorzugtes Argon-Wasserstoff-Gemisch ist unter der Bezeichnung VARIGON® bekannt. Dadurch wird besonders einfach die Möglichkeit bereitgestellt, dass sich der Sauerstoff aus dem Wolframoxid mit dem Wasserstoff aus der Atmosphäre, in der Schritt c) durchgeführt wird, zu Wasser verbindet. Auf der Elektrodenoberfläche bleibt das reine Metall übrig.
• Wie bereits ausgeführt, umfasst die Elektrode bevorzugt Wolfram, wobei in Schritt c) Wolframoxid zu reinem Wolfram reduziert wird.
• Bevorzugt erfolgt das Überstreichen in Schritt a) mittels einer Laserstrahlvorrichtung. Dadurch kann besonders präzise genau der Teil der Elektrodenoberfläche bearbeitet werden, der für den Emissionsgrad von Bedeutung ist. Im Gegensatz zu einer chemischen Bearbeitung können unterschiedliche Bereiche der Elektrodenoberfläche unterschiedlich überstrichen werden. Durch Variation der auf der Elektrodenoberfläche mittels der Laserstrahlvorrichtung verursachten Modifikationen kann eine weitere Optimierung im Hinblick auf einen hohen Emissionsgrad vorgenommen werden. Ein Überstreichen mittels Laserstrahlvorrichtung erlaubt im Hinblick auf die einstellbaren Parameter wie Energiedichte, Zeilenabstand, Focus, und dergleichen, eine präzise Einstellung eines gewünschten Emissionsgrads.
• Die Laserstrahlvorrichtung ist in diesem Zusammenhang insbesondere ausgelegt, eine Energiedichte freizusetzen, die ein Schmelzen, Oxidieren sowie Sublimieren zumindest eines Teils der Elektrodenoberfläche ermöglicht.
• Dabei kann in Schritt a) die Laserstrahlvorrichtung mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere 10 kHz, getaktet werden. In Schritt a) werden bevorzugt auf der Elektrodenoberfläche bevorzugt Zeilen mit einem Zeilenabstand zwischen zwei benachbarten Zeilen zwischen 0,01 und 0,2 mm, insbesondere 0,1 mm, erzeugt. Bevorzugt wird die Laserstrahlvorrichtung mit einem Laserstrahlfokus zwischen 0,01 und 0,1 mm, insbesondere 0,02 mm, betrieben. Auf diese Weise lässt sich die Elektrodenoberfläche maximieren, wodurch gleichzeitig der Emissionsgrad der Elektrode maximal wird.
• Alternativ kann das Überstreichen auch mit anderen geeignete Strahlvorrichtungen erfolgen, wie z.B. Elektronen- oder Ionenstrahlvorrichtungen
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Schritt c) bei einer Temperatur zwischen 700°C und 2500°C, insbesondere 2200°C, durchgeführt. Schritt a) hingegen wird bevorzugt bei Umgebungstemperatur, insbesondere einer Temperatur zwischen 15°C und 30°C, und Umgebungsdruck durchgeführt.
• Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für eine Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer derart hergestellten Elektrode.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

in schematischer Darstellung eine Hochdruckentladungslampe;

Fig. 2

einen Signalflussgraphen für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3

einen Ausschnitt der Anode der in Fig. 1 dargestellten Hochdruckentladungslampe;

Fig. 4

eine erste vergrößerte Darstellung eines ersten Ausschnitts der in Fig. 3 dargestellten Elektrodenoberfläche;

Fig. 5

eine erste vergrößerte Darstellung eines zweiten Ausschnitts der in Fig. 3 dargestellten Elektrodenoberfläche;

Fig. 6

eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 5 dargestellten Ausschnitts; und

Fig. 7

eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 6 dargestellten Ausschnitts.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
• In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt einer Hochdruckentladungslampe 10 dargestellt. Die Hochdruckentladungslampe 10 umfasst ein Entladungsgefäß 12 mit einem Entladungsraum 14. In den Entladungsraums 14 erstrecken sich eine erste Elektrode 16 (Anode) und eine zweite Elektrode 18 (Kathode). An den im Querschnitt oval ausgebildeten Mittelteil des Entladungsgefäßes 12 schließen zwei diametral gegenüberliegende Hälse 20, 22 an. Die Elektrode 16 ist im Hals 22 eingeschmolzen, die Elektrode 18 im Hals 20.
• Die Elektroden 16, 18 sind auf Stäben 24, 26 angeordnet, die bevorzugt aus Wolfram oder einer Wolframlegierung gebildet sind. Die Elektroden 16, 18 selbst bestehen aus dotiertem Wolfram.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel der Elektrode 16, das heißt der Anode, näher dargestellt. Selbstverständlich sind Ausführungsformen denkbar, in denen überdies die Kathode entsprechend dem erfindungsgemäβen Verfahren bearbeitet wird.
• Das Verfahren beginnt im Schritt 100. Im Schritt 120 wird zumindest ein Teil der Oberfläche der Elektrode 16 mittels einer Laserstrahlvorrichtung überstrichen. Die Energiedichte ist dabei so hoch, dass ein Teil der Elektrodenoberfläche schmilzt, oxidiert sowie sublimiert. Das bedeutet, dass eine Teil des entstehenden Wolframoxids in den gasförmigen Zustand übergeht, ein anderer Teil des Wolframoxids auf der Elektrodenoberfläche verbleibt. Schritt 120 wird bevorzugt in einer sauerstoffangereicherten Atmosphäre durchgeführt. Die Laserstrahlvorrichtung kann mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere 10 kHz getaktet werden. Bevorzugt werden auf der Elektrodenoberfläche Zeilen mit einem Zeilenabstand zwischen zwei benachbarten Zeilen zwischen 0,01 und 0,2 mm, insbesondere 0,1 mm erzeugt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Laserstrahlvorrichtung mit einem Laserstrahlfokus zwischen 0,01 und 0,1 mm, insbesondere 0,02 mm, betrieben. Die Laserstrahlvorrichtung kann beispielsweise eine Leistung zwischen 50 W und 200 W, bevorzugt ca. 120 W, abgeben. Das Überstreichen kann beispielsweise mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 mm/s und 100 mm/s, insbesondere 30 mm/s, erfolgen. Die Temperatur kann Umgebungstemperatur sein; der Druck ist bevorzugt Umgebungsdruck.
• Eine bevorzugte Laserstrahlvorrichtung ist unter der Bezeichnung rofin rsmarker bekannt und wird mit Galvokopf betrieben. Die Leistung beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel ca. 120 W, wodurch ein Strom von ca. 38 A fließt. Die Überstreichgeschwindigkeit beträgt ca. 30 mm/s.
• Bevorzugt ist die Elektrode 16 drehbar gelagert, so dass durch die Laserstrahlvorrichtung der gesamte Umfang strukturiert werden kann.
• Durch den Schritt 120 entsteht eine sehr raue oxidische Oberfläche. Diese ist geometrisch nicht definiert, wie weiter unten mit Bezug auf die weiteren Figuren noch näher erläutert werden wird.
• In Schritt 140 wird die Elektrode 16 in einer VARIGON-Atmosphäre bevorzugt induktiv erhitzt. Dadurch werden die oxidierten Teile der Oberfläche durch den vorhandenen Wasserstoff zu metallischem Wolfram und Wasser reduziert. Im Ergebnis erhält man eine metallische, sehr raue Elektrodenoberfläche mit über den Behandlungsgrad einstellbarem Emissionsgrad. Die Oberfläche ist verunreinigungsfrei, da im Gegensatz zum Stand der Technik kein Binder in einem Bepastungsprozess verwendet werden muss. Die Elektrode weist ein sehr gutes Einkoppelverhalten beim induktiven Erwärmen auf und ist mechanisch stabil, das heißt die Elektrodenoberfläche zeigt keine Tendenz abzubröckeln. Schritt 140 wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 700°C und 2500°C, insbesondere 2200°C, durchgeführt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren endet im Schritt 160.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Elektroden mit einem Emissionsgrad der erzeugten Oberfläche von bis 0,6 erzeugen. Damit wird der Bereich, der im Stand der Technik mit Bepastung erreicht werden konnte, sogar geringfügig übertroffen.
• Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Aufnahme des Bereichs der Oberfläche der Elektrode 16 von Fig. 1, bei dem die Form von zylindrisch in kegelförmig übergeht. Die Vergrößerung beträgt 10 : 1. Man erkennt deutlich die Spuren der Laserbearbeitung, insbesondere auch die Überlappungsbereiche der Laserstruktur, die dadurch entstanden sind, dass der Strahl beim Aufbringen der parallelen Linien in dem kegeligen Bereich der Elektrode 16 ausgelaufen ist.
• Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts von Fig. 3 im Übergangsbereich zylindrischkegelförmig. Die Vergrößerung beträgt 1 : 30. Bei derselben Vergrößerung zeigt Fig. 5 einen Ausschnitt von Fig. 3 im zylindrischen Bereich.
• Bei weiterer Vergrößerung auf den Faktor 1 : 200 zeigt Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung in Fig. 5. Es sind deutlich Rippen zu erkennen, wobei die Unregelmäßigkeit der Oberfläche ins Auge fällt. Durch die Unregelmäßigkeit ergibt sich eine deutlich Vergrößerung der Elektrodenoberfläche, wodurch sich hohe Emissionsgrade erzielen lassen.
• Fig. 7 schließlich zeigt das Detail einer Rippe der Darstellung von Fig. 6. Die Vergrößerung beträgt 1 : 1000.
• Diese Darstellung unterstreicht die hohe Rauigkeit der Wolframoberfläche der Elektrode.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen einer Wolfram umfassenden Elektrode (16) für eine Hochdruckentladungslampe (10), folgende Schritte umfassend:

   a) Überstreichen zumindest eines Teils der Elektrodenoberfläche mit einem energiereichen Strahl zur Erzeugung einer Oxidschicht (Schritt 120);

   b) Zumindest teilweises Sublimieren der in Schritt a) entstehenden Oxidschicht (Schritt 120); und

   c) Reduzieren der restlichen Oxidschicht (140).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass Schritt a) an Atmosphäre, insbesondere sauerstoffangereicherter Atmosphäre, durchgeführt wird (Schritt 120).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass Schritt b) zeitgleich mit Schritt a) ausgeführt wird (Schritt 120).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass Schritt c) in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere in einem Argon-Wasserstoff-Gemisch, ausgeführt wird (Schritt 140).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass in Schritt c) Wolframoxid zu reinem Wolfram reduziert wird (Schritt 140).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass das Überstreichen in Schritt a) mittels einer Laserstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahlvorrichtung erfolgt (Schritt 120).
7. Verfahren nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Laserstrahl-, Elektronenstrahl- bzw. Ionenstrahlvorrichtung ausgelegt ist, eine Energiedichte freizusetzen, die ein Schmelzen, Oxidieren sowie Sublimieren zumindest eines Teils der Elektrodenoberfläche ermöglicht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass in Schritt a) die Laserstrahlvorrichtung mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere 10 kHz, getaktet wird (Schritt 120).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass in Schritt a) auf der Elektrodenoberfläche Zeilen mit einem Zeilenabstand zwischen zwei benachbarten Zeilen zwischen 0,01 und 0,2 mm, insbesondere 0,1 mm, erzeugt werden (Schritt 120).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Laserstrahlvorrichtung mit einem Laserstrahlfokus zwischen 0,01 und 0,1 mm, insbesondere 0,02 mm, betrieben wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Schritt c) bei einer Temperatur zwischen 700°C und 2500°C, insbesondere 2200°C, durchgeführt wird (Schritt 140).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Schritt a) bei Umgebungstemperatur, insbesondere einer Temperatur zwischen 15°C und 30°C, und Umgebungsdruck durchgeführt wird (Schritt 120).

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