Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem keramischen Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus der US 6 620 272 ist ein mehrteiliges keramisches Entladungsgefäß bekannt. Die einzelne Abschnitte sind a- xial hintereinander angeordnet.

Aus der EP 887 838 ist eine Lampe bekannt, bei der ein Teil des Entladungsgefäßes mittels einer Multilayer- Technologie hergestellt ist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein keramisches Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, das preisgünstig hergestellt werden kann .

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk- male des Anspruchs 1.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße neuartige Entladungsgefäß eignet sich bevorzugt für kleinwattige Lampen im Bereich 2 bis 100 W, bevorzugt höchstens 35 W.

Nach dem Stand der Technik werden keramische Hohlkörper für das Entladungsgefäß z.B. durch Niederdruck- Einspritzen in eine entsprechende Form hergestellt. Zwei so gefertigte Halbschalen, die also axial hintereinander angeordnet sind, werden grün miteinander verschweißt und dann gasdicht versintert. Die Elektrodensysteme werden mit Glaslot in Enden eingeschmolzen, nachdem die Füllung in das Entladungsvolumen eingebracht wurde. Die Elektroden werden aus Wolfram gefertigt.

Das neuartige Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe ist mehrteilig aus keramischem Material herge- stellt, wobei das Entladungsgefäß aus mindestens zwei gestapelten Schichten aufgebaut ist.

Bevorzugt werden mindestens drei Schichten verwendet, wobei die Schichten planar sind.

Bevorzugt weist das Entladungsgefäß eine vollflächige erste und letzte Schicht auf, die scheibenförmig, bevorzugt rechteckig oder abgerundet oder abgeschrägt, gestaltet ist.

Bevorzugt ist mindestens eine Zwischenschicht im wesentlichen kreisförmig mit einer scheibenförmigen Außenkontur gestaltet, der einen Hohlraum umfasst. Besonders bevorzugt sind mindestens zwei, insbesondere drei derartige Zwischenschichten vorhanden. Alternativ ist die Zwischenschicht als rechteckiger Rahmen gestaltet. Typisch ist das Entladungsgefäß mit Elektroden behaftet ist. Es können eine oder zwei Elektroden verwendet werden. Dabei können diese als vollflächige Schicht gestaltet sein, die bevorzugt aus LaB6 besteht.

Bevorzugt hat die Elektrode eine im wesentlichen dreieckige oder keilförmige Gestalt.

Dabei ist bevorzugt der Hohlraum der Zwischenschicht Teil des Entladungsvolumens.

Des weiteren besitzt vorteilhaft mindestens eine Schicht eine endständige Aussparung. Bevorzugt hat bei drei Zwischenschichten die mittlere Schicht zwei einander gegenüberliegende gleichartige Aussparungen. Diese sind vor allem für Elektroden gedacht. Die Elektroden sind so in die Aussparungen eingepasst, dass sie von außen elektrisch zugänglich sind.

Eine zuverlässige Herstellung gelingt, wenn die Schichten aus mindestens zwei Einzelschichten zusammengesetzt sind. Die Herstellung folgt dabei den Prinzipien der Multilay- er-Technologie .

Schließlich kann das Entladungsgefäß einen Befüllungska- nal aufweisen, der mittels an sich bekanntem Hochtemperatur-Lot oder mittels keramischem Stopper verschlossen ist .

Die Herstellung neuartiger, bevorzugt kleinwattiger Ent- ladungsgefäße kann über zwei Wege erfolgen: über die MuI- tilayer-Technologie oder über den Spritzgussprozess . Die Grundlagen der Multilayer-Technologie sind Stand der Technik. Im Falle der Multilayer-Technologie gelingt die Herstellung des Entladungsgefäßes folgendermaßen:

Das Entladungsgefäß wird durch Aufeinanderschichten von dünnen Folien geformt. Das Entladungsgefäß besteht dabei beispielsweise aus 5 Schichten, im folgenden als Segmente bezeichnet, die wiederum aus mehreren Einzelschichten (2- 10 Einzelschichten) bestehen können. Segment 1 und 5 bilden die Abschlussflächen oben und unten. Segment 2, 3 und 4 sind innen ausgestanzt und bilden das Innenvolumen und den seitlichen Abschluss des Entladungsgefäßes. Zusätzlich besitzt Segment 3, oder allgemein mindestens eines der mittleren Segmente, mindestens eine, bevorzugt zwei Ausstanzungen, zur Durchführung der Elektroden. Es kann auch bei zwei Segmenten je eine Ausstanzung vorhanden sind, so dass die darin eingepassten Elektroden nicht parallel zur Achse des Entladungsgefäßes liegen, sondern schräg dazu.

Die einzelnen Segmente sind stapeiförmig angeordnet. Es gibt mindestens drei Segmente, nämlich zwei als erste und letzte Deckschicht und wenigstens eine Zwischenschicht.

Segment 1 kann als Bodenplatte betrachtet werden, die in der Regel aus 2-10 Einzellagen besteht. Die Zwischenschichten sind beispielsweise:

Segment 2: der Teil des Entladungsgefäßes, der einen Hohlraum umgibt, der Teil des Entladungsvolumens ist. Auch dieses Segment besteht aus 2-10 Einzellagen. Dabei wird der zukünftige Innenraum des Entladungsgefäßes am einfachsten aus der Vollfläche ausgestanzt. Segment 3: ist wie Segment 2 geformt. Außerdem kann es eine oder zwei Aussparungen besitzen, die für die Elektrode gedacht ist. Bevorzugt ist eine LaB6-Elektrode, die in diese Aussparung eingesetzt wird.

Bevorzugt weist das Entladungsgefäß ein dem 2. Segment ähnliches viertes Segment auf. Auch Segment 4 ist aus 2- 10 Einzellagen gebildet und wieder ist der Innenraum ausgestanzt. Der Hohlraum von Segment 2, 3 und 4 bildet zusammen das Entladungsvolumen.

Bevorzugt enthält die Außenwand von Segment 4 eine Aussparung für die erleichterte Elektrodenkontaktierung auf der Außenseite der Elektrode. Eine äußere Stromzuführung kann somit in einfacher Weise am äußeren Ende der Elektrode befestigt werden.

Das letzte Segment in dieser Ausführungsform ist Segment 5. Es wirkt quasi als Deckenplatte und besteht ebenfalls aus 2-10 Einzellagen. Auch dieses Segment weist eine Aussparung für Elektrodenkontaktierung auf der Außenseite auf .

Eine Besonderheit, die auch für sich genommen erfinderisch ist, sind die Elektroden, die bevorzugt nicht aus Wolfram sondern aus LaBε bestehen. Diese können ebenfalls über die Folientechnologie hergestellt werden und sind bevorzugt in Keilform ausgestanzt. Diese keilförmigen LaB6-Elektroden werden in die Aussparungen des Segments 3 gelegt und schließlich mit den Segmenten 4 und 5 im Verbund laminiert.

Auf diese Art und Weise lassen sich größere Paneele (4-6 Zoll) herstellen, die aus mehreren einzelnen Entladungs- gefäßen oder Segmenten bestehen. Anschließend werden die Paneele vereinzelt, entbindert und gesintert.

Alternativ kann auch ein Spritzgussprozess für die Herstellung des Entladungsgefäßes aus zwei Segmenten verwen- det werden. Die Grundlagen des Spritzgussverfahrens sind Stand der Technik, siehe beispielsweise US-A 2006061138.

Dabei kann jedes der beiden Segmente im Spritzgussprozess hergestellt werden. Im Prinzip ist dabei jedes Segment eine bootförmige Halbschale. Dabei enthält beispielsweise die erste Halbschale vorteilhaft Aussparungen für die E- lektroden, die auch hier bevorzugt aus LaB6 bestehen. Nach dem Einlegen der Elektroden werden schließlich die beiden Halbschalen zu einem Entladungsgefäß laminiert. Die Entbinderung und Sinterung der Formkörper sind dann die abschließenden Arbeitsschritte.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein neuartiges Entladungsgefäß mit vier Schichten;

Figur 2 ein neuartiges Entladungsgefäß mit fünf Schich- ten;

Figur 3 verschiedene Ansichten des Entladungsgefäßes von der Seite (3a), von der um 90° gedrehten Seite (3b) , und von oben (3c) . Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt eine neuartiges Entladungsgefäß 1 aus vier Segmenten, es ist insbesondere für kleinwattige Lampen im Bereich 2 bis 20 W gedacht. Es weist ein erstes Segment 2 als rechteckige Bodenplatte auf. Selbstverständlich kann diese Platte auch oval, kreisförmig elliptisch oder sonst wie abgerundet oder abgeschrägt sein um beispielsweise letztlich ein möglichst isothermes Entladungsgefäß zu schaffen. Darauf ist ein zweites Segment 3 gesetzt, das dieselbe Außenkontur wie Segment 1 besitzt, was aber nicht unbedingt erforderlich ist. Jedoch ist das zweite Segment hohl, so dass es alleine betrachtet einem Ring ähnelt oder einem Schlauch, der rechteckig verzerrt ist. Das zweite Segment kann im Falle einer rechteckigen ges- talt an seinen Schmalseiten eine Aussparung für jede E- lektrode besitzen. Diese Aussparung ist der Gestalt der Elektrode gerade angepasst. Da die Elektrode flach ebenfalls als Schicht gestaltet ist, jedoch aus anderem Material wie LaB6, passt sie exakt in die Aussparung.

Auf dem zweiten Segment 3 sitzt ein drittes Segment 4. Es kann im Falle einer rechteckigen Gestalt an seinen Schmalseiten eine Aussparung für jede Elektrode besitzen. Diese Aussparung ist der Gestalt der Elektrode gerade angepasst. Da die Elektrode flach ebenfalls als Schicht gestaltet ist, jedoch aus anderem Material wie LaB6, passt sie exakt in die Aussparung.

Auf dem dritten Segment 4 sitzt ein viertes Segment 5, das ebenfalls dieselbe Außenkontur besitzt. Es hat eine rechteckige Gestalt und besitzt eine kanalartige Aussparung 6, die bevorzugt so gestaltet ist, dass sie einen Teil der Oberfläche der Elektrode 7 frei lässt. Sie sollte aber einen anderen Teil der Elektrode abdecken, weil dadurch deren Halterung und Abdichtung erfolgt. Diese kanalartige Aussparung ist im wesentlichen rechteckig bzw. quaderförmig. Sie ist auf beiden Schmalseiten vorhanden.

Figur 2 zeigt ein ähnliches Entladungsgefäß, nur ist hier das Entladungsgefäß aus fünf Schichten aufgebaut.

Auf dem letzten Zwischensegment sitzt ein abschließendes Segment 5, das ebenfalls im wesentlichen dieselbe Außen- kontur hat. Es fungiert hier als Deckplatte und ist somit das letzte Segment. Aber es ist mit den gleichen oder ähnlichen Aussparungen wie bei Segment 4 ausgestattet, so dass die kanalartigen Aussparungen übereinanderliegen und damit einen einfachen Zugriff auf die freiliegende Ober- fläche der Elektrode bieten. Auf diese Weise kann einfach eine Stromzuführung auf dieser freiliegenden Oberfläche der Elektrode befestigt werden.

Figur 3 zeigt im Detail den Aufbau des Entladungsgefäßes gemäß Figur 2. Dabei schließen die zwei Boden- bzw. Deck- platten 2 und 5 drei Zwischenschichten 3, 10 ,4 ein, von denen die mittlere die beiden Elektroden 7 aus LaB6 in der Mitte ihrer Schmalseiten aufweisen.

Die Herstellung gelingt, indem zunächst die Einzelschichten zu Segmenten verbunden werden, die zur passenden Form gestanzt werden, dann die einzelnen Segmente nacheinander verbunden werden, wobei die Elektroden direkt eingesintert werden. Dabei werden die Einzelschichten zu Segmenten vorlaminiert und schließlich in einem weiteren Schritt die Segmente zu einem Modul fertig laminiert. Beispielhafte äußere Abmessungen des Entladungsgefäßes sind:

Die Schichten oder Segmente haben eine Dicke von 0,2 mm und die Elektrode (Segment 3) hat eine Dicke von 0,1 mm. Die Gesamthöhe ist damit 0,9 mm. Die drei inneren Zwischenschichten haben eine umlaufende Wandstärke von 1,5 mm. Die innere Grundfläche des Entladungsvolumens beträgt von 0,5 x 5,5 mm ² . Die innere Höhe des Entladungsgefäßes ergibt sich zu 0,5 mm. Daraus ergibt sich für das Entla- dungsvolumen eine Dimension von 0.5 mm x 0.5 mm x 5.5 mm. Die innere Oberfläche ist 11,0 mm ² . Die Außenmaße des Entladungsgefäßes sind bei einer Wandstärke von 1, 5 mm:

Dimensionen: 0.9 mm x 3.5 mm x 8.5 mm

Außenoberfläche: 81.1 mm ² .

Die vom Entladungsgefäß abgestrahlte Leistung ist temperaturabhängig. Sie beträgt:

bei 1300 K etwa 2.82 W;

bei 1400 K etwa 3.53 W.

Das geschichtete keramische Entladungsgefäß besteht be- vorzugt im wesentlichen aus A12O3, oder auch anderen bekannten Oxiden, Nitriden, oder Oxinitriden, bevorzugt von Aluminium, oder auch Dy oder Y. Insbesondere wird PCA verwendet, dabei können übliche Dotierzusätze enthalten sein, wie MgO.

Bevorzugt wird in Zusammenwirken mit dem neuartigen Entladungsgefäß auch eine neuartige Elektrode eingesetzt. Diese ist in Bezug auf ihre Gestalt und Art der Abdich- tung völlig neu. Dadurch sind auch andere Mateπaleigen- schaften als bisher üblich im Vordergrund, nämlich die an den Fertigungsprozess des Entladungsgefaß optimale Anpassung. Als gut geeignet hat sich dabei als Material für die Elektrode LaB6 erwiesen. Dies steht in völligem Gegensatz zu dem bisher in diesem Zusammenhang fast ausschließlich verwendeten Werkstoff Wolfram.

Die wichtigsten Kenngroßen von LaB6 sind in Tab. 1 denen von Wolfram gegenübergestellt.

Tabelle 1: Vergleich wichtiger Kenngroßen für LaB ₆ und Wolfram

W LaB ₆

Schmelztemperatur / K 3600 2528

Austrittsarbeit /eV 4.55 241

Warmeleitfah igkeit Λ/Vrrr ¹ K ¹ 170 47

Thermischer 4.7 6.2 (PCA = 8.3)

Ausdehnungskoeffizient 10 ⁶ K ¹

Die um etwa 2 eV niedrigere Austrittsarbeit von LaB6 fuhrt zu einer um etwa 1300 K niedrigeren Elektrodentemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Wolfram-Elektroden. Dies fuhrt zu vergleichbaren Abdampfraten wie bei Wolfram aber, auf Grund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit und niedrigeren Arbeitstemperatur zu deutlich geringeren thermischen Verlusten. LaB ₆ ist in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten deutlich besser an PCA (8,3 x 10 ^~6 K ^"1 ) angepasst als W.

Ein derartig besser an PCA angepasster Ausdehnungskoeffizient ermöglicht das direkte Einsintern in PCA und vermeidet aufwandige Elektrodendurchfuhrungskonstruktionen, wie sie bei heutigen PCA-Entladungsgefäßen notwendig sind.

Bevorzugt wird für die Elektrode LaB6 verwendet. Alternativ ist auch die Verwendung andere Keramiken aus Carbi- den, Nitriden oder Boriden hochschmelzender Metalle wie z.B. TaC, HfC, CeB ₆ , GdB ₆ , W2B5, MoB2, ZrN möglich.

Die bevorzugt trapezförmigen oder dreieckig gestalteten Elektroden haben beispielsweise eine Dicke von 0,1 mm und sind beispielsweise im Falle der Trapezform hinten 0,3 mm und vorne 0,12 mm breit.

Bei einem Elektrodeneinstand von 1,25 mm in das Entladungsgefäß ergibt sich ein Elektrodenabstand von 3 mm und, je nach Füllung, eine Lampenleistung von 2 bis 20 W.

Für das Auspumpen und Befüllen des Entladungsgefäßes gibt es mehrere Möglichkeiten. Bevorzugt sind die folgenden drei Ausführungsformen:

1. Im Segment 2, 3 und/oder 4 ist insgesamt gesehen ein Befüllungskanal vorgesehen, der nach dem Füllen verschlossen wird, z.B. mit Heißlot. Eine derartige Tech- nologie ist im Prinzip vorbekannt, es kann auch ein sog. Stopper verwendet werden, siehe WO 94/18693.

2. In das fertig gesinterte Entladungsgefäß wird, beispielsweise mittels Lasertechnik, nachträglich ein Be- füllungskanal eingebracht, der nach dem Füllen ver- schlössen wird, z.B. mit Heißlot oder Stopper.

3. Der Befüllungskanal ist im Bereich der Aussparung der Elektrode angebracht oder die Elektrode selbst weist einen Befüllungskanal auf, der aber nicht im Bereich der Spitze, sondern seitlich angebracht ist

Das neuartige Entladungsgefäß hat im Vergleich zu bekannten keramischen Entladungsgefäßen eine deutlich kürzere Baulänge, die nur aufgrund seines völlig anderen Aufbaus möglich ist.

Als Füllung eignen sich an sich bekannte Füllungen. Bevorzugt wird eine Metallhalogenidfüllung verwendet, wie an sich bekannt, aber auch Quecksilberhochdrucklampen o- der Natriumdampflampen sowie Hg-freie Lampen lassen sich damit realisieren.

Die Elektroden können im Prinzip auch eine ganze Seitenfläche einer Zwischenschicht ausmachen. Dabei kann die Vorderfront mit einer abschirmenden Beschichtung versehen sein, und nur die eigentliche Elektrode in der Mitte kann frei von der abdeckenden Schicht sein.

Im Prinzip lassen sich alle Schichten entweder mit Multi- layertechnologie oder Spritzgusstechnologie herstellen. Auch eine gemischte Anwendung beider Technologien ist möglich.

Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

1. Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe, das mehrteilig aus keramischem Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus mindestens zwei gestapelten Schichten aufgebaut ist. 2. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens drei Schichten verwendet werden, wobei die Schichten planar sind.

3. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Entladungsgefäß eine vollflächige erste und letzte Schicht aufweist, die scheibenförmig, bevorzugt rechteckig oder abgerundet, gestaltet ist.

4. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht im wesentlichen kreisförmig mit einer scheibenförmigen Außenkontur gestaltet ist, die einen Hohlraum um- fasst .

5. Entladungsgefäß nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens zwei derartige Zwischenschichten vorhanden sind.

6. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Entladungsgefäß mit Elektroden behaftet ist. 7. Entladungsgefäß nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens eine Elektrode als vollflächige Schicht gestaltet ist, die bevorzugt aus LaB6, TaC, HfC, CeB ₆ , GdB ₆ , W2B5, MoB2, ZrN besteht.

8. Entladungsgefäß nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Elektrode eine im wesentlichen dreieckige oder trapezförmige Gestalt seiner Querschnittsfläche besitzt, wobei die schmale Spitze insbesondere in das Entladungsgefäß hineinragt.

9. Entladungsgefäß nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Hohlraum Teil des Entladungsvolumens ist. 10. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens eine Schicht eine endständige Aussparung besitzt.

11. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Schichten aus mindestens zwei

Teilschichten oder Einzelschichten zusammengesetzt sind.

12. Entladungsgefäß nach Anspruch 10, dadurch ge- kennzeichnet , dass mindestens zwei benachbart gesta- pelte Schichten eine gleichartige Aussparung besitzen .

13. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Entladungsgefäß einen Befül- lungskanal aufweist, der mittels Lot oder Stopper verschlossen ist.