EP3948934A1 - Elektrode für eine gasentladungslampe und gasentladungslampe - Google Patents

Elektrode für eine gasentladungslampe und gasentladungslampe

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EP3948934A1
EP3948934A1 EP20711117.0A EP20711117A EP3948934A1 EP 3948934 A1 EP3948934 A1 EP 3948934A1 EP 20711117 A EP20711117 A EP 20711117A EP 3948934 A1 EP3948934 A1 EP 3948934A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
chambers
anode
plateau
base body
Prior art date
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Application number
EP20711117.0A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP3948934B1 (de
Inventor
Maria Nilius
Rainer Koger
Adam Kotowicz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
Publication of EP3948934A1 publication Critical patent/EP3948934A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3948934B1 publication Critical patent/EP3948934B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
    • H01J61/0732—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the construction of the electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/52—Cooling arrangements; Heating arrangements; Means for circulating gas or vapour within the discharge space
    • H01J61/523—Heating or cooling particular parts of the lamp
    • H01J61/526—Heating or cooling particular parts of the lamp heating or cooling of electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84—Lamps with discharge constricted by high pressure
    • H01J61/86—Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels

Definitions

  • the invention is directed to discharge lamps and the electrodes arranged therein.
  • the electrodes arranged therein are directed to discharge lamps and the electrodes arranged therein.
  • Electrodes such as for example at
  • Short arc discharge lamps is the case. Examples are mercury discharge lamps (e.g. OSRAM HBO ®) and
  • Xenon discharge lamps e.g. OSRAM XBO®
  • photolithographic applications microchips
  • Projection applications can be used.
  • the invention can be used in all lamp-like light sources in which at least one electrode is arranged in a translucent vessel (e.g. a glass bulb).
  • a translucent vessel e.g. a glass bulb
  • the invention can also be used in laser-based plasma light sources (so-called laser-sustained plasma light sources).
  • the electrodes especially the anodes in the case of
  • Lead discharge vessel which can result in a decrease in light and / or a reduction in lamp life.
  • the aim of the invention is therefore to ensure the best possible cooling (heat dissipation) from the front electrode area close to the discharge arc, in particular the
  • Thermal conductivity of the electrode should be improved.
  • approaches that are intended to improve the cooling of the electrode ie heat dissipation from the electrode.
  • One possibility is to coat the anode with materials that have better emissivity in the
  • Heat radiation used serve to radiate heat from the surface of the electrode.
  • Another approach aims to improve the
  • the electrode can have an inner section or a core area
  • An example are anodes which have a hermetically sealed interior which is covered with a low-melting metal, e.g. Silver or copper
  • the low-melting metal enclosed in the interior melts and can in some cases also change into the gaseous state of aggregation.
  • thermal energy is absorbed by the low-melting metal and, among other things, by convection processes from the front, the discharge arc
  • FIG. 18 schematically shows a gas discharge lamp 10 with electrodes 1 and 2.
  • the gas discharge lamp 10 which is preferably as
  • High-pressure mercury gas discharge lamp is formed, represents a vertically operated discharge lamp 10, so that the electrode axes of the two that run parallel to one another, in particular run on a line Electrodes 1 and 2 are also aligned vertically.
  • the electrode 1 is a cathode with a cathode tip 11 and a cylindrical tip
  • Area 12 is formed, while the electrode 2 represents the anode and has an anode plateau 14 and also a cylindrical area 13.
  • the anode 2 is
  • the two electrodes 1 and 2 are in a discharge vessel 7, for example one
  • Discharge vessel 7 are a cathode holding rod 3 and a
  • Anode holding rod 4 is provided. These are internal
  • Power supply lines 5 and 6 are electrically connected to the connection sockets 8 and 9, the connection sockets 8, 9 in turn being able to be connected to an energy source via suitable external power supply lines (not shown) for operating the discharge lamp 10.
  • the high-pressure gas discharge lamp 10 is preferably operated with high power, in particular in the kilowatt range. This results in very high levels above all at the anode 2
  • the object of the present invention is therefore to provide a
  • One aspect is the best possible cooling of the electrode, especially the front,
  • the thermal conductivity of the electrode is to be improved.
  • the invention is also directed to a gas discharge lamp with at least one
  • the invention described below aims at a
  • Anode / electrode in the interior of their usually cylindrical base body on two or more chambers should be such that a more strongly directed convection is achieved for more efficient heat transport. Furthermore, local heating should be avoided and greater flexibility with regard to the lamp burning position should be achieved. It also enables
  • Multi-chamber design provides greater stability in the critical area of the electrode near the plateau.
  • the anode should have n chambers with 2 ⁇ n
  • the anode comprises a first
  • Anode part, the closure part or cover, and a second anode part, the vessel part or pot (recess in the
  • the chambers are hermetically connected to each other.
  • the chambers are located in the lower part of the anode (pot).
  • the multi-chamber design according to the invention has the advantage of a very high degree of flexibility in terms of configuration, so that depending on the specific application - conditional
  • the chambers can all have the same shape and the same depth, for example, which is particularly easy to implement in terms of production technology.
  • the chambers can also have different shapes and / or depths from one another (see, for example, FIGS. 7, 12). Possible shapes can, for example, through their cross-sectional area
  • Suitable manufacturing processes are, for example, drilling, turning or milling.
  • Chamber shapes (angular, semicircular etc.) can e.g. when
  • feedstock anodes are produced.
  • a powder is made up of the carrier material (e.g. tungsten) and a binder by e.g. Molds can be designed in almost any way.
  • the binder is then extracted and the blank is re-compacted.
  • Electrode is formed out (and whereby a vessel or pot or a pot-like recess is created in the base body) and those processes in which the individual chambers are produced outside the base body of the electrode and inserted into the base body of the electrode in a subsequent process step, the base body must have a suitably dimensioned cavity for this purpose.
  • the multi-chamber design has a high degree of flexibility in terms of configuration, since basically all geometric and non-geometric properties of the chamber are individually adapted and so is the overall system
  • the length of the individual chambers can be adjusted, among other things, in order to achieve an optimal compromise between the best possible cooling and stability of the electrode depending on the respective position of the chamber in the (usually cylindrical) base body of the electrode.
  • chambers that are close to the symmetry axis of the electrode can be adjusted, among other things, in order to achieve an optimal compromise between the best possible cooling and stability of the electrode depending on the respective position of the chamber in the (usually cylindrical) base body of the electrode.
  • Electrode base body are shorter than chambers that have a greater distance to the axis of symmetry of the electrode base body (see Fig. 12).
  • the distance Si of the individual chambers i can be optimized depending on their position in relation to the arc attachment point in order to prevent the risk of deformation or even leakage in this area.
  • the arrangement of the individual chambers i in the interior of the electrode is preferably configured symmetrically, in particular rotationally symmetrical to the longitudinal axis of the electrode. This has the advantage that, in the case of a vertical burning position that often occurs in practice, the heat flow is uniform over the
  • Electrode cross-section (for example, seen in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the electrode) can be distributed in order to achieve efficient cooling of the electrode and to to avoid local heating and damage. Conceivable arrangements are shown in FIGS. 3 to 6, 8 and 9.
  • Arrangement of the chambers help reduce the convection currents and heat flows in relation to the direction of gravity
  • a greater number of chambers can be made available on that side of the electrode that comes closest to the floor in the case of a lamp inclined away from the vertical than on the opposite side of the electrode (see FIG. 7, the the electrode side shown to the right of the dashed line in the figure is the side that comes closest to the ground).
  • each of the chambers can be filled independently of the other chambers. This relates both to the type of materials filled in as well as to their quantity (% by volume or% by mass).
  • Heat transport is particularly low-melting metals such as silver, copper, gold and others
  • a protective gas for example a noble gas such as argon, can be enclosed in the respective chamber.
  • additional heat conductors can be non-metallic materials such as diamond or ceramic materials such as boron nitride,
  • Aluminum nitride, etc. are preferably introduced into the respective chamber in a powdery form. Details on this are disclosed in DE10 2018 220 944.8.
  • a roughening or structuring of the surface can be created, for example by mechanical processes (e.g. sandblasting, sputtering, grinding, etc.), chemical processes (e.g. etching) or other physical processes (e.g. laser structuring,
  • Inner surfaces of the chambers i are arranged to be suitable.
  • Corresponding concepts are disclosed in DE 102007038909 A1, for example.
  • An optimal number of chambers basically depends on various factors, including the
  • geometric properties of the individual chambers i e.g. diameter, length, shape, etc.
  • the filling of the individual chambers i material type, filling level, additional
  • the nature of the walls of the chambers i and the arrangement of the individual chambers i belong to one another.
  • the individual factors can influence each other. For example, there is an achievable
  • the packing density of chambers i in the base body of the electrode depends on the diameter and shape of the individual chambers i. In addition, the ratio of the chamber interior surface to
  • Chamber volumes play a role when it comes to achieving efficient, directional heat flow. Furthermore, the ratio of the chamber volume to the surrounding
  • Tungsten volume play a role with regard to the current carrying capacity of the anode. As already mentioned, all of these considerations can also depend on the operating conditions of the lamp, in particular on its burning position.
  • the conventional solution with only one chamber carries the risk of plateau deformation.
  • the tendency to deformation can be reduced by
  • Plateaus is.
  • the projection of the chamber cross-sections onto the The plateau has the areas Ai, A2, A 3 ... A n ,
  • 0.1 ⁇ A s / A p ⁇ 0.9, particularly advantageously 0.3 ⁇ A s / A p ⁇ 0.8 should apply.
  • the heat can no longer be efficiently dissipated through the material in the chambers. Is this
  • the distance a ⁇ j between the chambers can be chosen to be small, with a lower limit mainly due to the
  • Processing is determined or by the risk of
  • the distance Si of the chambers to the anode plateau is influenced by two things: on the one hand, the distance should be small in order to dissipate the heat as effectively as possible.
  • the tendency to deform now increases with the diameter (or the greatest extent) di of the chamber, ie by choosing a smaller diameter one can also reduce the distance to the plateau.
  • the distance Si should advantageously now be at least 3mm or at least di / 3, that is Si> di / 3 and Si> 2mm.
  • the distance ri of the chambers to the edge should - like that to the plateau - be chosen to be small, because heat radiation via the jacket of the anode also effectively contributes to the temperature reduction at the plateau.
  • the tendency to deform is due to the lower temperatures - compared to the plateau - and the lack of pressure from the plasma. However, cracks due to tension must be avoided, so that the following relationship should advantageously be maintained: Si> di / 4 and Si> 2mm.
  • Si> di / 4 and Si> 2mm Alternatively or in addition to those described above
  • FIG. 17B an example is shown in which an anode has four chambers K1 to K4, which along a
  • the chambers each have the same dimensions (length, width, depth) and have a rectangular cross section. As already described in detail above, there is also a wide range for these embodiments
  • the individual chambers i can have different geometric and non-geometric features, so for example chambers in the vicinity of the anode plateau can have different geometric dimensions than those which are further away from the anode plateau.
  • This groove now houses a spiral made of one
  • solder material must be selected so that it does not liquefy again during later operation.
  • Mercury discharge lamps would be molybdenum / ruthenium, titanium / tungsten, zirconium / tungsten or platinum / tungsten. The temperatures depend on the respective area of application
  • solder is not introduced in the form of a helix, but rather as a metal foil that is wrapped around the stopper and pressed into the chamber with it.
  • the plug shape can be cylindrical or conical.
  • the sealing is achieved as under a) by a thermal step (e.g. furnace annealing).
  • a third possibility is to apply solder to the end face of the pot so that all chambers are separated from one another after the soldering process, but are closed with one and the same stopper (here the end face of the pot).
  • the solder is introduced spherically into depressions, see, for example, FIG. 14.
  • the dashed lines here show depressions into which the solder is filled in the form of small spheres.
  • Another possibility is to provide the stopper and the respective chamber with a screw thread so that the stopper can be screwed into the chamber.
  • the plug can also be sealed with solder.
  • the conventional variant with one chamber has the disadvantage that the high thermal load can deform the plateau. With a corresponding load, the resulting depression in the plateau area can become so large that the material is no longer mechanically
  • the distance s ⁇ between the chambers and the plateau can be selected to be smaller, without such deformations and possible lamp failure.
  • FIG. 1A shows a schematic illustration of a plan view of an anode according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 1B is a schematic representation of a sectional view of the anode from FIG. 1A;
  • Fig. IC a schematic representation of a
  • FIG. 2A shows a schematic illustration of a plan view of an anode according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2B shows a schematic illustration of a longitudinal section of the anode from FIG. 2A;
  • Fig. 2C is a schematic representation of a
  • Fig. 3-9 each a schematic representation of a
  • Fig. 10 is a schematic representation of a
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a sectional view of an anode with chambers of different lengths according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a sectional view of an anode with a separate stopper in a chamber and an additional cover according to another
  • Embodiment of the invention shows a schematic illustration of a plan view of an end face of an anode with three chambers according to an exemplary embodiment of the invention
  • 17A, 17B each show a schematic representation of a
  • FIG. 18 shows a schematic illustration of a plan view of a gas discharge lamp according to a
  • Figures 1A and 1B each show a schematic
  • the anode 2 consists of a circular cylindrical vessel part 22, the pot, and a closure part 24, the lid.
  • the pot 22 has a
  • the two tubular chambers 221 and 222 are partially filled with silver 26 (symbolized as a dotted area).
  • the opposite end of the pot 22 is closed with the cover 24.
  • the cover 24 also closes
  • the cover 24 has a bore 241 for the anode holder (not shown here).
  • L mean the length of the anode 2 from
  • FIG. 2A shows a plan view and FIGS. 2B and 2C schematically show a longitudinal or cross section of an anode 20 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • pot 22 of the anode 20 has five chambers 221-225, each of which has a circular cross-section and is closed separately with an associated stopper 261-265 (only two plugs 261 and 262 are shown in FIG. 2B).
  • FIGS. 3 to 9 each show a schematic representation of a cross section of an anode (similar to FIG. 2c) according to seven further exemplary embodiments of the invention. They differ in the number and / or shape and / or the diameter of the chambers. In order to make the chambers easier to see, the cross section is laid through the part filled with silver, the silver being symbolized as a dotted area as in FIG. 1B. Fig. 3 shows one
  • Anode pot 22 with five chambers 221-225 similar to that already shown in FIG. 2C. 4 shows an anode pot 22 with six chambers 221-226, the chamber 226 having a smaller diameter in the center of the axis than the remaining five chambers 221-225.
  • FIG. 5 shows an anode pot 22 with seven chambers 221-227, all of which have have the same diameter.
  • 6 shows an anode pot 22 with only three chambers 221-223. The respective diameter of these three chambers 221-223 is greater than the respective diameter of the seven chambers 221-227 in the previous one
  • Embodiment. 7 shows an anode pot 22 likewise with three chambers 221-223.
  • a chamber 221 is designed with an oval diameter that is adapted to the curvature of the anode pot 22.
  • the other two chambers 222 and 223, however, have a circular cross-section, as in the previous exemplary embodiments.
  • two chambers 221, 222 are provided which are designed with mutually complementary semicircular cross-sections.
  • FIG. 9 shows an anode pot 22 with three chambers 221, 222 and 223, which are designed as separate complementary parts of a cylinder-like arrangement with a composite circular cross section.
  • FIGS. 10 and 11 each show, in a schematic representation, a partial section of an anode 2 ′ and 2 ′′ according to two further exemplary embodiments of the invention. These are special anode designs that im
  • the sectional view has an anode trough 14 'in an angular shape
  • the anode trough 14 ′′ has a round shape.
  • Figure 12 shows a schematic representation of a
  • Two chambers 221, 222 have the same diameter di , 2 and the same
  • Figure 13 shows a schematic representation of a
  • FIG. 1 Sectional view of an anode 200 according to a variant in which a chamber 221 with an associated separate stopper 266 is locked.
  • a solder wire coil 2661 is provided, which is wound around the circumference of the plug 266.
  • the pot 22 of the anode 200 is closed with a lid 24 which also covers the stopper 266 of the chamber 221.
  • FIG 14 shows, in a schematic representation, a top view of an anode pot 220 with three chambers 221-223. The end face of the anode pot 220 is shown, onto which for
  • anode cover is put on and connected by means of solder (the latter is not shown here).
  • the dashed lines 230 symbolize depressions in the base body of the anode pot 220 into which solder in the form of small spheres is filled (the latter are not shown here).
  • FIGS. 15 and 16 each show the projection areas A1, A2, A3 in a schematic representation
  • FIGS. 17A and 17B show a schematic representation of a plan view and a longitudinal section along the line
  • Embodiment of the invention Here four chambers K1 - K4 are arranged one behind the other in the direction of the longitudinal axis A within the anode pot 22.
  • Figure 18 shows a schematic representation of a
  • the anode 2 corresponds to one of those according to the invention shown in FIGS. 1 to 17 Embodiments.
  • the anode 2 that cannot be seen here, reference is made to the corresponding passages in the associated description of the figures and the general description.
  • Gas discharge lamp 10 is referred to the corresponding description above.
  • the invention relates to an electrode, in particular anode, for a gas discharge lamp, the electrode being a
  • Has base body which includes several chambers.
  • the chambers can be arranged parallel to one another or in series with respect to a longitudinal axis of the electrode and are coated with a low-melting metal, e.g. Silver or copper, at least partially filled.
  • a low-melting metal e.g. Silver or copper

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere Anode (20), für eine Gasentladungslampe, wobei die Elektrode (20) einen Grundkörper (22) aufweist, der mehrere Kammern (221 - 223) einschließt. Die Kammern (221 - 223) können bezüglich einer Längsachse (A) der Elektrode (20) parallel zueinander oder in Reihe angeordnet sein und sind mit einem niedrigschmelzenden Metall (26), wie z.B. Silber oder Kupfer, zumindest teilweise gefüllt. Durch geeignete Abstimmung der Anzahl, Füllung, Form und geometrischen Abmessungen der einzelnen Kammern (221 - 223) sowie deren Lage innerhalb des Grundkörpers (22) auf das jeweilige Design der Elektrode (20) kann eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Grundkörper (22), insbesondere aus dem Bereich nahe des Anodenplateaus (14), erzielt werden.

Description

ELEKTRODE FÜR EINE GASENTLADUNGSLAMPE UND GASENTLADUNGSLAMPE
BESCHREIBUNG
Die Erfindung richtet sich auf Entladungslampen und die darin angeordneten Elektroden. Insbesondere richtet sich die
Erfindung auf Lampen mit thermisch stark belasteten
Elektroden, wie dies beispielsweise bei
Kurzbogenentladungslampen der Fall ist. Als Beispiele seien hier Quecksilberentladungslampen (z.B. OSRAM HBO ®) und
Xenonentladungslampen (z.B. OSRAM XBO®) genannt, welche unter anderem für photolithographische Anwendungen (Microchips,
ICs, PCBs, LCD Displays, etc.) beziehungsweise für
Projektionsanwendungen (z.B. Kinoprojektion) eingesetzt werden können. Vom Grundsatz her ist die Erfindung in allen lampenartigen Lichtquellen einsetzbar, bei denen mindestens eine Elektrode in einem lichtdurchlässigen Gefäß (z.B. einem Glaskolben) angeordnet ist. Insofern kann die Erfindung auch bei Laser-basierten Plasma-Lichtquellen (sogenante Laser- Sustained Plasma Lichtquellen) eingesetzt werden.
Die Elektroden, insbesondere die Anoden im Falle von
Gleichstromlampen, sind im Lampenbetrieb einer großen
thermischen Belastung ausgesetzt. Deshalb werden in der Regel Materialien mit sehr hoher Temperaturfestigkeit eingesetzt, in den allermeisten Fällen Wolfram. Dennoch führen die
Temperaturen, die durch Einwirkung des Plasmas bzw. des
Plasmabogens auf den vorderen Teil der Anode erzeugt werden, zum Abdampfen von Anodenmaterial. Dies kann zum einen zu einer Degradation der Elektrode und zum anderen zur
Ablagerung des abgedampften Materials im Innenraum des
Entladungsgefäßes führen, was eine Lichtabnahme und/oder eine Verringerung der Lampenlebensdauer zur Folge haben kann.
Ziel der Erfindung ist es daher, für eine möglichst gute Entwärmung (Wärmeabfuhr) des vorderen, entladungsbogennahen Elektrodenbereiches zu sorgen, wobei insbesondere die
Wärmeleitfähigkeit der Elektrode verbessert werden soll. Es gibt mehrere Ansätze, die eine Verbesserung der Elektrodenentwärmung, d.h. Wärmeabfuhr aus der Elektrode, bewirken sollen. Eine Möglichkeit ist die Beschichtung der Anode mit Materialien, die eine bessere Emissivität im
Infrarotbereich besitzen (z.B. Osram, DE 102009021235 B4). Auch eine Mikrostrukturierung der Elektrodenoberfläche
(Ushio, JP3838110B2) wird zwecks einer verbesserten
Wärmeabstrahlung verwendet. Die genannten Mittel dienen beide einer Wärmabstrahlung von der Oberfläche der Elektrode. Ein anderer Ansatz zielt auf eine Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit entlang der Elektrodenachse. Dazu kann die Elektrode einen Innenabschnitt bzw. einen Kernbereich
aufweisen, der eine höhere Leitfähigkeit besitzt als reines Wolfram. Ein Beispiel sind Anoden, die einen hermetisch abgeschlossenen Innenraum aufweisen, welchermit einem niedrigschmelzenden Metall, wie z.B. Silber oder Kupfer
(Ushio, EP 1357579 Bl) oder einer Legierung gefüllt ist.
Solche Anoden kommen in Quecksilberentladungslampen bereits seit geraumer Zeit zum Einsatz. Bei den im Betrieb
vorherrschenden Temperaturen schmilzt das in dem Innenraum eingeschlossene niedrigschmelzende Metall und kann teilweise auch in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen. Bei diesen Schmelz- bzw. Verdampfungsvorgängen wird Wärmeenergie von dem niedrigschmelzenden Metall aufgenommen und unter anderem über Konvektionsprozesse vom vorderen, dem Entladungsbogen
zugewandten Bereich der Elektrode zum hinteren, dem
Elektrodenstab zugewandten Bereich der Elektrode
transportiert .
Details zum Aufbau einer Entladungslampe sind beispielhaft in Fig. 18 gezeigt, die schematisch eine Gasentladungslampe 10 mit den Elektroden 1 und 2 darstellt. Die Gasentladungslampe 10, welche vorzugsweise als
Quecksilberhochdruckgasentladungslampe ausgebildet ist, stellt eine vertikal betriebene Entladungslampe 10 dar, sodass die zueinander parallel verlaufenden, insbesondere auf einer Linie verlaufenden Elektrodenachsen der beiden Elektroden 1 und 2 ebenfalls vertikal ausgerichtet sind.
Weiterhin ist die Elektrode 1 in diesem Beispiel als Kathode mit einer Kathodenspitze 11 und einem zylinderförmigen
Bereich 12 ausgebildet, während die Elektrode 2 die Anode darstellt und ein Anodenplateau 14 sowie ebenfalls einen zylinderförmigen Bereich 13 aufweist. Die Anode 2 ist
oberhalb der Kathode 1 angeordnet und das Anodenplateau 14 ist der Kathodenspitze 11 zugewandt, wobei sich zwischen dem Anodenplateau 14 und der Kathodenspitze 11 im Betrieb ein Entladungsbogen ausbildet. Zudem sind die beiden Elektroden 1 und 2 in einem Entladungsgefäß 7, zum Beispiel einem
Glaskolben, angeordnet. Zur Halterung der Elektroden im
Entladungsgefäß 7 sind ein Kathoden-Haltestab 3 und ein
Anoden-Haltestab 4 vorgesehen. Diese sind über interne
Stromzuführungen 5 bzw. 6 mit den Anschlusssockeln 8 und 9 elektrisch verbunden, wobei die Anschlusssockel 8, 9 wiederum zum Betrieb der Entladungslampe 10 über geeignete externe Stromzuführungen mit einer Energiequelle verbunden werden können (nicht dargestellt) .
Die Hochdruckgasentladungslampe 10 wird vorzugsweise mit hoher Leistung betrieben, insbesondere im Kilowattbereich. Dadurch entstehen vor allem an der Anode 2 sehr hohe
Temperaturen. Typischerweise beträgt die Temperatur im
Bereich des Anodenplateaus ca. 2700°C und fällt, stark abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Anode und von der Fähigkeit zur Wärmeabstrahlung, zum Anoden-Haltestab hin auf ca. 1500°C bis 1100°C ab. Jedenfalls muss die Wärme aus der Anode 2 möglichst effizient abgeführt werden, um die
Lebensdauer der Anode 12 zu erhöhen bzw. eine geforderte Stromtragfähigkeit zu ermöglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
Elektrode für eine Gasentladungslampe mit verbesserten
Eigenschaften anzugeben. Ein Aspekt ist, eine möglichst gute Entwärmung der Elektrode, insbesondere des vorderen,
entladungsbogennahen Elektrodenbereiches zu erzielen. Dabei soll insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Elektrode verbessert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrode für eine
Gasentladungslampe mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren .
Wie bereits eingangs erwähnt, richtet sich die Erfindung auch auf eine Gasentladungslampe mit mindestens einer
erfindungsgemäßen Elektrode.
Die im Folgenden beschriebene Erfindung zielt auf eine
Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit im Innern der Anode ab, wobei mit Hilfe eines Mehrkammer-Designs die Nachteile des oben im Stand der Technik beschriebenen Einkammer-Designs überwunden oder zumindest vermindert werden sollen. Dazu weist die
Anode/Elektrode im Innern ihres üblicherweise zylindrischen Grundkörpers zwei oder mehr Kammern auf. Insbesondere soll das Mehrkammer-Design so beschaffen sein, dass eine stärker gerichtete Konvektion für einen effizienteren Wärmetransport erreicht wird. Weiterhin sollen lokale Aufheizungen vermieden und eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Lampen- Brennlage erreicht werden. Außerdem ermöglicht das
Mehrkammer-Design eine höhere Stabilität im kritischen plateaunahen Bereich der Elektrode. Insgesamt soll die Anode n Kammern besitzen mit 2 < n. Dabei sollen folgende
Bezeichnungen gelten (siehe auch Fig.lC und zugehörige
Figurenbeschreibung) : n - Anzahl der Kammern
r± - kürzester Abstand der Kammer i zum Rand der Anode s± - kürzester Abstand der Kammer i zur Plateauebene der Anode
di - Durchmesser oder größte Ausdehnung der Kammer parallel zu dem Plateau
a±j - minimaler Abstand zwischen den Kammern i und j In einer Ausführungsform umfasst die Anode ein erstes
Anodenteil, das Verschlussteil oder Deckel, und ein zweites Anodenteil, das Gefäßteil oder Topf (Ausnehmung im
Grundkörper der Elektrode) , die beide luftdicht bzw.
hermetisch miteinander verbunden sind. Die Kammern befinden sich in dem unteren Teil der Anode (Topf) . Einige
Anordnungsbeispiele für die zwei oder mehr Kammern sind in den Figuren 3 bis 9 (Draufsicht) zu sehen, wobei in diesen Beispielen die Kammern nebeneinander angeordnet sind, die Kammern oder zumindest ein Teil der Kammern also in einer Längserstreckungsrichtung des Grundkörpers parallel
zueinander angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Mehrkammer-Design hat den Vorteil einer sehr hohen ausgestaltungsmäßigen Flexibilität, so dass abhängig vom konkreten Anwendungsfall - bedingt
beispielsweise durch die Lampentype (Lampenfüllung,
Fülldruck, Elektrodendurchmesser, Elektrodengeometrie, etc.), die Lampenleistung, die Lampenbrennlage und viele andere Einflussgrößen - einzelne der oben beschriebenen Aspekte besonders in den Vordergrund gerückt und vorzugsweise
optimiert werden können.
Grundsätzlich können jedenfalls sämtliche Parameter einer jeweiligen Kammer einzeln und im Prinzip unabhängig von anderen Kammern angepasst werden. Neben den rein
geometrischen Parametern, wie beispielsweise den oben
aufgeführten Bezeichnungen kann auch die
Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Kammerinnenwände angepasst werden. Weiterhin ist es möglich, die Füllung jeder der Kammern einzeln für sich einzustellen, beispielweise in Bezug auf das einzufüllende niedrigschmelzende Metall
(Materialwahl) oder dessen Füllhöhe. Weitere
Optimierungsmöglichkeiten bestehen in der Anordnung der
Einzelkammern relativ zu einander und im Verhältnis zur
Außenwand der Elektrode. Im Hinblick auf die geometrischen Abmessungen können die Kammern beispielsweise alle dieselbe Form und dieselbe Tiefe haben, was fertigungstechnisch besonders einfach umsetzbar ist. Je nach Anwendungsfall können die Kammern aber auch voneinander verschiedene Formen und/oder Tiefen aufweisen (siehe beispielsweise Fig. 7, Fig. 12) . Mögliche Formen können beispielsweise durch deren Querschnittsfläche
unterschieden werden, wobei runde (z.B. kreisrund oder oval) und eckige (beispielsweise dreieckig, viereckig oder
polygonal) zum Einsatz kommen können. Grundsätzlich sind aber auch Mischformen denkbar, bei denen in einem ersten Abschnitt eine erste Querschnittsfläche vorliegt und in einem zweiten Abschnitt eine zweite von der ersten verschiedenen
Querschnittsfläche. Mit anderen Worten kann also über die Längserstreckung der Kammer hinweg ein Übergang von
beispielsweise einem runden Querschnitt zu einem eckigen Querschnitt stattfinden oder von einem kreisrunden
Querschnitt zu einem ovalen Querschnitt.
Geeignete Herstellverfahren, insbesondere für runde Kammern, sind beispielsweise Bohren, Drehen oder Fräsen. Andere
Kammer-Formen (eckig, halbrund etc.) können z.B. als
sogenannte Feedstock-Anoden hergestellt werden. Hierbei wird ein Pulver aus dem Trägermaterial (z.B. Wolfram) und einem Binder durch z.B. Gussformen nahezu beliebig gestaltet. Der Binder wird anschließend extrahiert, und der Rohling wird nachverdichtet .
Grundsätzlich sind in Bezug auf das Herstellverfahren solche Verfahren zu unterscheiden, bei denen die einzelnen Kammern durch spanabhebende Verfahren aus dem Grundkörper der
Elektrode herausgeformt wird (und wobei ein Gefäß oder Topf oder eine topfartige Ausnehmung im Grundkörper entsteht) und solchen Verfahren, bei denen die einzelnen Kammern außerhalb des Grundkörpers der Elektrode hergestellt und in einem zeitlich nachgelagerten Verfahrensschritt in den Grundkörper der Elektrode eingesetzt werden, wobei der Grundkörper dazu einen geeignet dimensionierten Hohlraum aufweisen muss. Wie oben bereits erwähnt weist das Mehrkammer-Design eine hohe ausgestaltungsmäßige Flexibilität auf, da im Grunde sämtliche geometrischen und nicht-geometrischen Eigenschaften der Kammer einzeln angepasst und so das Gesamtsystem
optimiert werden kann. In Folgenden sollen für einige dieser geometrischen und nicht-geometrischen Kammer-Eigenschaften beispielhafte Ausführungsformen im Detail erklärt werden.
Länge der Kammern:
Die Länge der einzelnen Kammern kann unter anderem angepasst werden, um abhängig von der jeweiligen Position der Kammer im (in der Regel zylindrischen) Grundkörper der Elektrode einen optimalen Kompromiss zwischen bestmöglicher Entwärmung und Stabilität der Elektrode zu erzielen. Beispielsweise können Kammern, die in der Nähe zur Symmetrieachse des
Elektrodengrundkörpers liegen, kürzer ausgebildet sein als Kammern, die einen größeren Abstand zur Symmetrieachse des Elektrodengrundkörpers aufweisen (siehe Fig. 12) . Da in
Plateaunähe, insbesondere am Bogenansatzpunkt nahe der
Symmetrieachse des Elektrodengrundkörpers besonders hohe Temperaturen auftreten, kann mit solch einer Ausführungsform der Abstand Si der einzelnen Kammern i in Abhängigkeit von deren Position in Bezug auf den Bogenansatzpunkt optimiert werden, um so die Gefahr einer Deformation oder gar eines Undichtwerdens in diesem Bereich zu verhindert.
Anordnung der Kammern:
Die Anordnung der einzelnen Kammern i im Innern der Elektrode ist bevorzugt symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch zur Elektrodenlängsachse ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmestrom im Falle einer in der Praxis häufig vorkommenden vertikalen Brennlage gleichmäßig über den
Elektrodenquerschnitt (z.B. in einer Ebene senkrecht zur Elektrodenlängsachse gesehen) verteilt werden kann, um so eine effiziente Entwärmung der Elektrode zu erzielen und um lokalen Aufheizungen und Schädigungen zu vermeiden. Denkbare Anordnungen sind in den Figuren 3 bis 6, 8 und 9 gezeigt.
Im Falle einer nicht-vertikalen Brennlage kann eine nicht symmetrische, insbesondere nicht rotationssymmetrische
Anordnung der Kammern dazu beitragen, die Konvektionsströme und Wärmeströme in Bezug auf die Gravitationsrichtung
anzupassen. In einer Ausführungsform können beispielsweise auf derjenigen Seite der Elektrode, die im Falle einer von der Vertikalen weggeneigten Lampe dem Boden am nächsten kommt, eine größere Anzahl an Kammern zur Verfügung gestellt werden als auf der gegenüberliegende Seite der Elektrode (siehe Fig. 7, wobei die in der Abbildung rechts von der gestrichelten Linie gezeigte Elektrodenseite diejenige Seite sei, die dem Boden am nächsten kommt) .
Neben einer Anpassung der Anordnung der einzelnen Kammern, können im Falle einer nicht-vertikalen Brennlage auch andere geometrische und nicht-geometrische Eigenschaften angepasst werden, z.B. Kammergeometrie (Durchmesser, Länge, Form), Kammerfüllung (Material, Füllhöhe) und dergleichen.
Befüllung der Kammern:
Prinzipiell kann jede der Kammern unabhängig von den anderen Kammern befüllt werden. Dies bezieht sich sowohl auf die Art der eingefüllten Materialien selbst als auch auf deren Menge (Vol-% bzw. Massen-%) .
Geeignete Materialien für den oben beschriebenen
Wärmetransport sind insbesondere niedrigschmelzende Metalle, wie beispielsweise Silber, Kupfer, Gold und weitere
prinzipiell im Stand der Technik bekannte Metalle mit einem im Vergleich zu Wolfram niedrigen Schmelzpunkt und einer im Vergleich zu Wolfram hohen Wärmeleitfähigkeit. Üblicherweise werden diese Materialien als Feststoff in die Kammern
eingefüllt. Zusätzlich zu dem niedrigschmelzenden Metall oder zusätzlich zu Legierungen aus niedrigschmelzenden Metallen, kann ein Schutzgas, beispielsweise ein Edelgas wie Argon, in die jeweilige Kammer mit eingeschlossen werden.
Darüber hinaus können weitere Materialien in die jeweiligen Kammern mit eingeschlossen werden, welche eine weitere
Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit bewirken, ohne aber unter Betriebsbedingungen zu schmelzen. Diese weiteren Wärmeleiter können nichtmetallische Materialien sein wie beispielsweise Diamant oder keramische Materialien wie Bornitrid,
Aluminiumnitrid, etc. Bevorzugt werden diese zusätzlichen Wärmeleiter in einer pulvertörmigen Form ein die jeweilige Kammer eingebracht. Details hierzu sind in der DE10 2018 220 944.8 offenbart.
Wandbeschaffenheit :
Die Beschaffenheit der Innenoberfläche der einzelnen Kammern stellt einen weiteren Einflussfaktor in Bezug auf deren thermisches Verhalten dar. Fertigungstechnisch besonders einfach sind glatte Kammerinnenwände mit
Oberflächenrauigkeiten, die im Rahmen der oben beschriebenen Herstellungsprozesse (z.B. spanabhebende Prozesse wie Bohren, Drehen oder Fräsen) entstehen. Mit Hilfe alternativer oder zusätzlicher Fertigungsprozesse kann eine Aufrauhung oder Strukturierung der Oberfläche erzeugt werden, beispielsweise durch mechanische Prozesse (z.B. Sandstrahlen, Sputtern, Schleifen, etc.), chemische Prozesse (z.B. Ätzen) oder andere physikalische Prozesse (z.B. Laserstrukturierung,
Plasmaätzen, Ionenbestrahlung, etc.) . Ziel solcher
Oberflächenbehandlungen kann es sein, die Oberfläche so zu strukturieren, dass ein Wärmeüberträger mit einem
verbesserten Rücktransport des Arbeitsmediums (hier des niedrigschmelzenden Metalls) von der Wärmeabgabezone (Anoden- Haltestab) zur Wärmequelle (Anoden-Plateau) nach Art eines Wärmerohres ( Thermosiphon, Heat Pipe) stattfinden kann. Der Rücktransport findet hierbei rein passiv statt und kann durch die Schwerkraft bewerkstelligt werden und/oder durch weitere Kräfte, wie beispielsweise Kapillarkräfte. Dazu können Netzstrukturen, Sinterstrukturen, Dochtstrukturen, Rillen oder Rinnen oder Kombinationen daraus, die an den
Innenoberflächen der Kammern i angeordnet sind, geeignet sein. Entsprechende Konzepte sind beispielsweise in der DE 102007038909 Al offenbart.
Anzahl der Kammern:
Eine optimale Anzahl an Kammern hängt grundsätzlich von verschiedenen Faktoren ab, zu denen unter anderem die
geometrischen Eigenschaften der einzelnen Kammern i (z.B. Durchmesser, Länge, Form, etc.), die Befüllung der einzelnen Kammern i (Materialart, Füllhöhe, zusätzliche
Füllkomponenten, etc.), die Wandbeschaffenheit der Kammern i, sowie die Anordnung der einzelnen Kammern i zueinander gehören. Die einzelnen Faktoren können sich dabei gegenseitig beeinflussen. So hängt beispielsweise eine erreichbare
Packungsdichte von Kammern i im Grundkörper der Elektrode vom Durchmesser und der Form der einzelnen Kammern i ab. Darüber hinaus kann das Verhältnis von Kammerinnenoberfläche zu
Kammervolumen eine Rolle spielen, wenn es darum geht, eine effiziente, gerichtete Wärmeströmung zu erreichen. Weiterhin kann das Verhältnis von Kammervolumen zu umgebendem
Wolframvolumen im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit der Anode eine Rolle spielen. Wie bereits erwähnt, können all diese Erwägungen auch von den Betriebsbedingungen der Lampe abhängen, insbesondere von deren Brennlage.
Querschnittsfläche der Kammern:
Die herkömmliche Lösung mit nur einer Kammer birgt die Gefahr der Plateauverformung. Bei der hier vorliegenden Erfindung kann die Verformungsneigung reduziert werden, indem man
Kammern so wählt, dass die Projektion der Querschnittsflächen der Kammern auf das Plateau nur einen Teil des Plateaus ausfüllt (siehe z.B. Fig. 15) . Die Fläche des Plateaus sei hierbei Ap mit Ar=p*r2/4, wobei p der Durchmesser des
Plateaus ist. Die Projektion der Kammerquerschnitte auf das Plateau habe die Flächen Ai, A2, A3...An, Die Summe As der projizierten Querschnittsflächen ist mithin As= Ai+A2...An . Für eine vorteilhafte Ausbildung der Kammern sollte gelten 0.1 < As/Ap < 0.9, besonders vorteilhaft 0.3 < As/Ap < 0.8. Bei kleineren Werten kann die Wärme durch das Material in den Kammern nicht mehr effizient abgeführt werden. Ist das
Verhältnis größer als 0.9, steigt die Gefahr der Verformung des Plateaus und die Nachteile der herkömmlichen Lösung treten wieder zu Tage.
Abstand der Kammern zueinander:
Der Abstand a±j der Kammern zueinander kann klein gewählt werden, wobei eine untere Grenze vor allem durch die
Bearbeitung bestimmt ist bzw. durch die Gefahr der
Rissbildung im Betrieb. Es sollte daher gelten ai älmm.
Abstand der Kammern zu dem Plateau und zum Rand:
Der Abstand Si der Kammern zu dem Anodenplateau wird durch zwei Dinge beeinflusst: einerseits sollte der Abstand gering sein, um die Wärme möglichst effektiv abzuführen.
Andererseits sollte er groß gewählt werden, um Verformungen oder Risse im Plateau zu vermeiden. Die Verformungsneigung steigt nun mit dem Durchmesser (bzw. der größten Ausdehnung) di der Kammer, d.h. durch Wahl eines kleineren Durchmessers kann man auch den Abstand zum Plateau verringern. Der Abstand Si sollte vorteilhafterweise nun mindestens 3mm betragen oder aber mindestens di/3, also Si > di/3 und Si > 2mm. Der Abstand ri der Kammern zum Rand sollte - wie der zum Plateau - klein gewählt werden, denn auch eine Wärmeabstrahlung über den Mantel der Anode trägt effektiv zur Temperatursenkung am Plateau bei. Die Verformungsneigung ist aufgrund der - im Vergleich zum Plateau - geringeren Temperaturen und des fehlenden Drucks durch das Plasma zwar niedriger. Allerdings müssen Risse durch Spannungen vermieden werden, so dass vorteilhafterweise folgende Beziehung eingehalten werden sollte: Si > di/4 und Si > 2mm. Alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen
Ausführungsformen können auch verschiedene Kammern
hintereinander entlang einer Längserstreckungsrichtung der Elektrode angeordnet sein, die Kammern oder zumindest ein Teil der Kammern also in einer Längserstreckungsrichtung des Grundkörpers in Reihe zueinander angeordnet sein. In Fig. 17B ist ein Beispiel gezeigt, bei denen eine Anode vier Kammern Kl bis K4 aufweist, welche entlang einer
Längserstreckungsrichtung A der Anode angeordnet sind und so eine stapelartige Anordnung bilden. Die Kammern haben in diesem Beispiel jeweils dieselben Abmessungen (Länge, Breite, Tiefe) und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Wie oben bereits im Detail beschrieben, gibt es auch für diese Ausführungsformen eine große Bandbreite an
Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der geometrischen und nicht-geometrischen Eigenschaften der Kammern, betreffend beispielsweise ihre Form, ihre gegenseitigen Abstände, ihre Abstände zu den Rändern der Anode (Seitenwände, Deckel,
Anodenplateau) , ihrer Befüllungen, ihre Wandbeschaffenheiten, etc. Insbesondere können die einzelnen Kammern i voneinander verschiedene geometrische und nicht geometrische Merkmale aufweisen, können also beispielsweise Kammern in der Nähe des Anodenplateaus andere geometrische Abmessungen haben, als solche die weiter vom Anodenplateau entfernt sind.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass das
Gesamtdesign einer Mehrkammer-Elektrode eine Funktion einer Vielzahl von Parametern darstellt, von denen (nicht
abschließend) einige oben aufgezählt und erläutert wurden, wobei die einzelnen Parameter teilweise unabhängig
voneinander gewählt werden können, teilweise aber auch direkt miteinander verbunden sind.
Abdichten :
Für das Abdichten der Kammern kommen mehrere Verfahren in Frage . a) Eine Möglichkeit ist das Verschließen jeder einzelnen Kammer mit Stopfen aus dem Material, aus dem auch Deckel (d.h. Verschlussteil ) und Topf/Gefäßteil (d.h. Ausnehmung im Grundkörper der Elektrode) bestehen, vorzugsweise
Wolfram. Dabei wird für jede gefüllte Kammer ein Stopfen benötigt (siehe z.B. Fig. 13) . Dieser ist z.B. so
gestaltet, dass er umlaufend mit einer Nut versehen ist. Der Teil oberhalb der Nut ist breiter gestaltet, so dass ein „Durchrutschen" in die Öffnung der Kammer verhindert wird. Diese Nut beherbergt nun eine Wendel aus einem
Material, das als Lot fungiert. Durch Erhitzen des Lotes, z.B. in einem Ofen, werden die einzelnen Kammern
versiegelt. Das Lotmaterial muss so gewählt werden, dass es sich im späteren Betrieb nicht wieder verflüssigt.
Geeignete Beispiele für Anoden in
Quecksilberentladungslampen wären Molybdän/Ruthenium, Titan/Wolfram, Zirkonium/Wolfram oder Platin/Wolfram. Die Temperaturen sind an den jeweiligen Einsatzbereich
anzupassen . b) Bei einer Variante von a) wird das Lot nicht in Form einer Wendel eingebracht, sondern als Metallfolie, die um den Stopfen gewickelt und mit diesem in die Kammer gepresst wird. Die Stopfenform kann dabei zylinderförmig oder aber konisch ausgeprägt sein. Die Abdichtung wird wie unter a) durch einen thermischen Schritt (z.B. Ofenglühung) erreicht . c) Eine dritte Möglichkeit ist das Aufbringen von Lot auf die Stirnfläche des Topfes, so dass alle Kammern nach dem Lötprozess voneinander getrennt, aber quasi mit ein- und demselben Stopfen (hier der Stirnfläche des Topfes) verschlossen sind. Ausführungsbeispiele sind denkbar, bei denen das Lot kugelförmig in Vertiefungen eingebracht wird, siehe z.B. Fig. 14. Die gestrichelten Linien zeigen hierbei Vertiefungen, in die das Lot in Form von kleinen Kügelchen gefüllt wird. d) Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Stopfen und die jeweilige Kammer mit einem Schraubgewinde zu versehen, so dass der Stopfen in die Kammer eingeschraubt werden kann. Zusätzlich kann der Stopfen noch mit Lot abgedichtet werden .
Bei der herkömmlichen Variante mit einer Kammer besteht der Nachteil, dass durch die starke thermische Belastung eine Verformung des Plateaus stattfinden kann. Bei entsprechender Belastung kann die resultierende Mulde im Plateaubereich so groß werden, dass das Material mechanisch nicht mehr
standhält, und Füllmaterial (z.B. Kupfer oder Silber) aus der Anode austritt, was zum Ausfall der Lampe führt. Es muss daher dafür gesorgt werden, dass der Abstand s zwischen
Bohrung und Plateau genügend groß ist. Andererseits sollte der Abstand wiederum klein sein, um eine möglichst gute
Wärmeableitung zu erzielen.
Durch das Mehrkammersystem kann der Abstand s± der Kammern zum Plateau kleiner gewählt werden, ohne dass es zu solchen Verformungen und evtl, einem Ausfall der Lampe kommt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei können gleiche oder gleichartige Merkmale im Folgenden der
Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein .
Dabei zeigen:
Fig. 1A eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Anode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1B eine schematische Darstellung einer Schnittansicht der Anode aus Fig. 1A; Fig. IC eine schematische Darstellung einer
Teilschnittansicht der Anode aus Fig. 1A;
Fig. 2A eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Anode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2B eine schematische Darstellung eines Längsschnitts der Anode aus Fig. 2A;
Fig. 2C eine schematische Darstellung einer
Querschnittsansicht der Anode aus Fig. 2A;
Fig. 3-9 jeweils eine schematische Darstellung einer
Querschnittsansicht einer Anode gemäß sieben weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer
Teilschnittansicht einer Anode mit Anodenmulde gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer
Teilschnittansicht einer Anode mit Anodenmulde gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Anode mit unterschiedlich langen Kammern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Anode mit separatem Stopfen in einer Kammer und zusätzlichem Deckel gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Stirnfläche einer Anode mit drei Kammern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 15, 16 jeweils in schematischer Darstellung die
Projektionsflächen der Querschnitte dreier Kammern auf das jeweilige Anodenplateau;
Fig. 17A, 17B jeweils eine schematische Darstellung einer
Draufsicht bzw. einer Längsschnittansicht einer Anode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 18 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Gasentladungslampe gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Figuren 1A und 1B zeigen jeweils eine schematische
Darstellung einer Draufsicht bzw. einer Schnittansicht entlang der Längsachse A einer Anode 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Anode 2 besteht aus einem kreiszylindrischen Gefäßteil 22, dem Topf, und einem Verschlussteil 24, dem Deckel. Der Topf 22 weist ein
Anodenplateau 14 auf sowie mehrere Kammern, hier zwei Kammern 221, 222, die als Ausnehmungen aus dem Grundkörper des Topfes 22 ausgebildet sind. Die beiden rohrförmigen Kammern 221 und 222 sind teilweise mit Silber 26 gefüllt (als gepunktete Fläche symbolisiert) . Das dem Anodenplateau 14
entgegengesetzte Ende des Topfes 22 ist mit dem Deckel 24 verschlossen. Dabei verschließt der Deckel 24 auch
gleichzeitig die dem Anodenplateau 14 entgegengesetzten offenen Enden der beiden Kammern 221, 222. Der Deckel 24 weist eine Bohrung 241 für die Anodenhalterung (hier nicht dargestellt) auf.
In Figur IC sind die eingangs eingeführten Bezeichnungen einiger geometrischer Abmessungen anhand einer schematischen Darstellung einer Teilschnittansicht der Anode 2 aus Fig. 1A gezeigt. Demnach bedeuten L die Länge der Anode 2 vom
Anodenplateau 14 bis zum entgegengesetzten anschlussseitigen Ende des Deckels 24, D der Durchmesser der Anode 2, d± der Durchmesser oder größte Ausdehnung der i-ten Kammer parallel zu dem Anodenplateau 14 (i = 1 bis n; im Ausführungsbeispiel ist n = 2), ri der kürzeste Abstand der Kammer i zum Rand der Anode 2, si der kürzeste Abstand der Kammer i zur
Plateauebene 14 der Anode 2, a±j der minimale Abstand
zwischen den Kammern i und j (im Ausführungsbeispiel ist das der minimale Abstand a±2 zwischen den beiden Kammern 221 und 222) .
Die Figur 2A zeigt eine Draufsicht und die Figuren 2B und 2C zeigen schematisch einen Längs- bzw. Querschnitt einer Anode 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Hier weist der Topf 22 der Anode 20 fünf Kammern 221 - 225 auf, die jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und mit je einem zugehörigen Stopfen 261 - 265 separat verschlossen sind (nur zwei Stopfen 261 und 262 sind in Fig. 2B dargestellt) .
Die Figuren 3 bis 9 zeigen in schematischer Darstellung jeweils einen Querschnitt einer Anode (ähnlich wie Fig. 2c) gemäß sieben weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung. Sie unterscheiden sich durch die Anzahl und/oder Form und/oder dem Durchmesser der Kammern. Um die Erkennbarkeit der Kammern zu erleichtern ist der Querschnitt durch den mit Silber gefüllten Teil gelegt, wobei das Silber wie in Fig. 1B als gepunktete Fläche symbolisiert ist. Fig. 3 zeigt einen
Anodentopf 22 mit fünf Kammern 221 - 225, ähnlich wie bereits in Fig. 2C dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Anodentopf 22 mit sechs Kammern 221 - 226, wobei die Kammer 226 im Achszentrum einen kleineren Durchmesser aufweist als die restlichen fünf Kammern 221 - 225. Fig. 5 zeigt einen Anodentopf 22 mit sieben Kammern 221 - 227, die alle den gleichen Durchmesser aufweisen. Fig. 6 zeigt einen Anodentopf 22 mit nur drei Kammern 221 - 223. Der jeweilige Durchmesser dieser drei Kammern 221 - 223 ist größer als der jeweilige Durchmesser der sieben Kammern 221 - 227 im vorherigen
Ausführungsbeispiel. Fig. 7 zeigt einen Anodentopf 22 mit ebenfalls drei Kammern 221 - 223. Hier allerdings ist eine Kammer 221 mit einem ovalen, an die Krümmung des Anodentopfs 22 angepassten Durchmesser ausgeführt. Die beiden anderen Kammern 222 und 223 weisen hingegen wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen einen kreisförmigen Querschnitt auf. In dem in Fig. 8 dargestellten Anodentopf 22 sind zwei Kammern 221, 222 vorgesehen, die mit zueinander komplementären halbkreisförmigen Querschnitten ausgebildet sind. Fig. 9 zeigt schließlich einen Anodentopf 22 mit drei Kammern 221, 222 und 223, die als separate komplementäre Teile einer zylinderartigen Anordnung mit zusammengesetzt kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind.
Die Figuren 10 und 11 zeigen in schematischer Darstellung jeweils einen Teilschnitt einer Anode 2' bzw. 2'' gemäß zweier weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es handelt sich um spezielle Anodendesigns, bei denen im
Anodenplateau bereits im Herstellungsprozess eine sogenannte Anodenmulde bereitsgestellt wird. In einer jeweiligen
Schnittdarstellung weist im Ausführungsbeispiel der Fig. 10 die Anodenmulde 14 ' eine eckige Form auf, im
Ausführungsbeispiel der Fig. 11 weist die Anodenmulde 14'' eine runde Form auf.
Die Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer
Längsschnittansicht einer Anode 20 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwei Kammern 221, 222 haben den gleichen Durchmesser di,2 sowie den gleichen
kürzesten Abstand si,2 zur Anodenplateauebene 14. Die dritte, in der Längsachse der Anode 20 angeordnete Kammer 223 hat hingegen einen größeren Durchmesser d3 sowie einen längeren Abstand S3 zur Anodenplateauebene 14.
Die Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer
Schnittansicht einer Anode 200 gemäß einer Variante, bei der eine Kammer 221 mit einem zugehörigen separaten Stopfen 266 verschlossen ist. Zur Dichtung des Stopfens 266 ist eine Lotdrahtwendel 2661 vorgesehen, die umfänglich um den Stopfen 266 gewickelt ist. Schließlich der Topf 22 der Anode 200 mit einem Deckel 24 verschlossen, der auch den Stopfen 266 der Kammer 221 abdeckt.
Fig. 14 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf einen Anodentopf 220 mit drei Kammern 221 - 223. Gezeigt ist die Stirnfläche des Anodentopfes 220, auf die zum
Verschießen ein Anodendeckel aufgesetzt und mittels Lot verbunden wird (letzteres ist hier nicht dargestellt) . Die gestrichelten Linien 230 symbolisieren hierbei Vertiefungen im Grundkörper des Anodentopfes 220, in die Lot in Form von kleinen Kügelchen gefüllt wird (letztere sind hier nicht dargestellt) .
Die Figuren 15 und 16 zeigen in schematischer Darstellung jeweils die Projektionsflächen Al, A2, A3 der
Querschnittsflächen dreier Kammern (nicht dargestellt) auf das jeweilige Anodenplateau 14. Wie durch Vergleich von Fig. 15 mit Fig. 16 erkennbar ist, sind in den beiden Fällen die Projektionsflächen Al, A2, A3 aufgrund unterschiedlich geformter Kammern ebenfalls unterschiedlich geformt. In beiden Fällen ist die Summe der Projektionsflächen Al, A2, A3 aber erkennbar kleiner als die Fläche des Anodenplateaus 14, jedenfalls kleiner als Faktor 0,9.
Die Figuren 17A und 17B zeigen in schematischer Darstellung eine Draufsicht bzw. einen Längsschnitt entlang der
Längsachse A einer Anode 202 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind vier Kammern Kl - K4 in Richtung der Längsachse A hintereinander innerhalb des Anodentopfes 22 angeordnet.
Die Figur 18 zeigt eine schematische Darstellung einer
Draufsicht auf eine Gasentladungslampe 10 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei entspricht die Anode 2 einem der in den Fig. 1 bis 17 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen . Für die hier nicht erkennbaren Details der Anode 2 sei auf die entsprechenden Stellen der zugehörigen Figurenbeschreibungen sowie der allgemeinen Beschreibung verwiesen. Für Details zum weiteren Aufbau der
Gasentladungslampe 10 sei auf die entsprechende Beschreibung weiter oben verwiesen.
Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere Anode, für eine Gasentladungslampe, wobei die Elektrode einen
Grundkörper aufweist, der mehrere Kammern einschließt. Die Kammern können bezüglich einer Längsachse der Elektrode parallel zueinander oder in Reihe angeordnet sein und sind mit einem niedrigschmelzenden Metall, wie z.B. Silber oder Kupfer, zumindest teilweise gefüllt. Durch geeignete
Abstimmung der Anzahl, Füllung, Form und geometrischen
Abmessungen der einzelnen Kammern sowie deren Lage innerhalb des Grundkörpers auf das jeweilige Design der Elektrode kann eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Grundkörper,
insbesondere aus dem Bereich nahe des Anodenplateaus, erzielt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Elektrode (Kathode)
2, 2 ' , 2 " Elektrode (Anode)
3 Kathoden-Haltestab
4 Anoden-Haltestab
5 interne Stromzuführung (Kathode)
6 interne Stromzuführung (Anode) 7 Entladungsgefäß
8, 9 Anschlusssockel
10 Entladungslampe
11 Kathodenspitze
12 zylinderförmigen Bereich (Kathode)
13 zylinderförmigen Bereich (Anode)
14 Anodenplateau
14 14 " Anodenmulde
20 Elektrode (Anode)
200 Elektrode (Anode)
202 Elektrode (Anode)
22 Anodentopf
220 Anodentopf
22 1 - 227 Kammer
230 Vertiefung
24 Deckel
24 1 Bohrung
2 6 Silber
2 61 - 2 66 Stopfen
2 661 Lotdrahtwendel

Claims

Patentansprüche
1. Elektrode (1, 2) für eine Gasentladungslampe (10), wobei die Elektrode (1, 2) einen Grundkörper aufweist, der mindestens zwei Kammern einschließt.
2. Elektrode (202) nach Anspruch 1, wobei die Kammern (Kl- K4 ) oder zumindest ein Teil der Kammern in einer
Längserstreckungsrichtung des Grundkörpers (22) in Reihe zueinander angeordnet sind.
3. Elektrode (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammern (221, 222) oder zumindest ein Teil der Kammern in einer Längserstreckungsrichtung (A) des Grundkörpers (22) parallel zueinander angeordnet sind.
4. Elektrode (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Kammern (221, 222) oder zumindest ein Teil der Kammern hermetisch ( luftdicht/gasdicht ) abgeschlossen sind .
5. Elektrode (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Kammern (221, 222) oder zumindest ein Teil der Kammern eine (Teil-) Füllung (26) aufweist.
6. Elektrode nach Anspruch 5, wobei die Füllung (26) eine oder mehrere Wärmeleitkomponenten umfasst.
7. Elektrode nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine
Wärmeleitkomponente eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als die des Grundkörpers.
8. Elektrode nach Anspruch 6 oder 7, wobei die mindestens eine Wärmeleitkomponente ein oder mehrere Metalle
umfasst, deren Schmelzpunkt niedriger ist als der
Schmelzpunkt des Grundkörpers der Elektrode.
9. Elektrode (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper ein Gefäßteil (Topf) (22) umfasst, wobei in dem Gefäßteil (22) die Kammern (221, 222) angeordnet sind.
10. Elektrode (2, 20) nach Anspruch 9, wobei der Grundkörper ein Verschlussteil (Deckel, Stopfen) (24, 261, 262) umfasst, und wobei das Verschlussteil (24, 261, 262) das Gefäßteil (22) verschließt.
11. Elektrode (2, 20) nach Anspruch 10, wobei das
Verschlussteil (24, 261, 262) die Kammern (221, 222) oder zumindest einen Teil der Kammern verschließt, optional hermetisch verschließt.
12. Elektrode (20) nach Anspruch 9 oder 10, wobei jede Kammer (221, 222) mit einem separaten Verschlussteil (Stopfen) (261, 262) verschlossen ist, optional hermetisch
verschlossen ist.
13. Elektrode (2, 20) nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
wobei das freie Ende des Gefäßteils (22) als
Elektrodenplateau (14) ausgebildet ist, auf welchem der Entladungsbogen im Betrieb der Entladungslampe ansetzt, und das Verschlussteil (24) oder gegebenenfalls die
Verschlussteile (261, 262) zu dem Elektrodenplateau (14) entgegengesetzt angeordnet ist bzw. sind.
14. Elektrode nach Anspruch 13, wobei sich zumindest eine Kammer so nahe wie möglich bis zum Elektrodenplateau erstreckt, ohne eine mechanische Verformung des
Elektrodenplateaus zu verursachen.
15. Elektrode nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Verschlussteil oder gegebenenfalls die Verschlussteile mit einem Schraubgewinde versehen ist bzw. sind.
16. Elektrode (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Verschlussteil (266) oder gegebenenfalls die
Verschlussteile mit einem Lot (2661) abgedichtet sind.
17. Gasentladungslampe (10) mit mindestens einer Elektrode
(1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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