Kurzbogenentladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kurzbogenentladungslampe mit Elektrodenstabeinschmelzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Kurzbogenentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine Elektrode für eine Kurzbogenentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Kurzbogenentladungslampen mit Elektrodenstabeinschmelzung weisen typischerweise Kaltfülldrücke von bis zu 30 bar und Betriebsdrücke von bis zu 100 bar auf. Zum Befüllen des Entladungsraumes von Kurzbogenentladungslampen wird bislang ein sogenannter Pumpstängel aus Quarzglas oder dergleichen an das Entladungsgefäß der Kurzbogenentla- dungslampe angeschmolzen und der Entladungsraum der Kurzbogenentladungslampe über diesen Pumpstängel mit dem Füllgas befüllt. Nach Einfrieren des Füllgases wird der Pumpstängel abgeschmolzen und das Entladungsgefäß so wieder verschlossen. Aufgrund des hohen Betriebsdruckes von Kurzbogenentladungslampen bergen diese das Risiko eines Berstens des Entladungsgefäßes, wodurch Personen in der Umgebung der Kurzbogenentladungslampe gefährdet werden können .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver- fahren zum Herstellen einer Kurzbogenentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welches ein Befüllen eines Entladungsraumes der Kurzbogenentladungslampe mit einem oder mehreren Füllgasen ermög- licht, ohne das Entladungsgefäß strukturell zu schwächen. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurzbogenentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine Elektrode für eine Kurzbogenentla- dungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13 bereitzustellen, welche die Sicherheit des Betriebs solcher Lampen verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin bei einer Kurzbogenentladungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 7 gelöst. Bei einer Elektrode für eine Kurzbogenentladungs- lampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13 wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 13 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen ei- ner Kurzbogenentladungslampe wird zunächst eine Elektrode, die einen Kopf und einen Stab umfasst, mit einem Kanal bereitgestellt. Die Elektrode wird im folgenden Verfahrensschritt an ihrem Stab in ein einen Entladungsraum umschließendes Entladungsgefäß eingeschmolzen. Um die un- terschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Elektrodenstabmaterial, beispielsweise Wolfram, und dem Entladungsgefäßmaterial, beispielsweise Quarzglas, aneinander anzugleichen, werden üblicherweise ein oder mehrere Übergangsgläser eingesetzt. Diese Technik der E- lektrodenstabeinschmelzung ist dem Fachmann seit langem bekannt, weshalb hier auch weitere Details verzichtet werden kann. Um Feuchtigkeit und schädliche Anteile der Umgebungsluft zu entfernen, wird im folgenden Schritt ein Spülgas durch den Kanal in den Entladungsraum eingeleitet. Hierzu wird in der Regel Argon oder ein Edelgasge- misch verwendet. Während des Spülens ist es darüber hinaus möglich, die Elektrode zu glühen, um adsorbierte Substanzen von der Elektrodenoberfläche zu entfernen. Im folgenden Verfahrensschritt wird der Entladungsraum über den Kanal der Elektrode evakuiert und ein Füllgas, in der Regel Xenon, oder Füllgasgemisch, durch den Kanal der E- lektrode in den Entladungsraum geleitet. Das Füllgas wird schließlich eingefroren und der Kanal verschlossen.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik zum Herstellen von Kurzbogenentladungslampen erfolgt das Befüllen also nicht durch einen angeschmolzenen Pumpstängel, sondern durch den Kanal der Elektrode.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Entstehung von Schwachstellen im Entladungsgefäß vermieden. Eine so hergestellte Kurzbogenentladungslampe ist somit stabiler und explosionssicherer als vergleichbare, nach dem Stand der Technik hergestellte Kurzbogenentladungslampen.

Bevorzugter Weise wird im ersten Verfahrensschritt der Kanal der Elektrode durch ein abtragendes Verfahren, insbesondere durch Bohren, in die Elektrode eingebracht. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung der Elektrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erster Abschnitt des Kanals durch Bohren in der (Längs-) Erstre- ckungsrichtung der Elektrode und ein zweiter Abschnitt des Kanals durch Bohren senkrecht zu dieser (Längs-) Erstreckungsrichtung der Elektrode erzeugt. Der Kanal erstreckt sich also nicht bis zu einem Kopf der Elektrode, an welchem im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe der Lichtbogen anliegt. Dies vermeidet die Erosion von Kan- tenbereichen einer Kanalmündung durch die thermische Belastung in Lichtbogennähe und der Kanal beeinträchtigt auch nicht die Qualität des Lichtbogens.

Bevorzugter Weise wird durch das Einschmelzen der Elektrode im zweiten Verfahrensschritt diese so relativ zum Entladungsgefäß platziert, dass der Entladungsraum über den Kanal der Elektrode mit der Außenluft in Verbindung steht. Das Befüllen bzw. Evakuieren des Entladungsgefäßes kann somit direkt über den Kanal erfolgen, ohne dass eine weitere Gaszuleitung bzw. Gasableitung im Entladungsgefäß bereitgestellt werden muss.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Kanal eine Öffnung auf, wobei das Verschließen des Kanals im Verfahrensschritt g) durch Anlöten einer Litze an der Öffnung erfolgt. Es sind also keine zusätzlichen Verschlussmittel nötig, welche den Kanal der fertigen Kurzbogenentladungslampe abdichten. Das Verbinden der Elektrode mit einer Litze zur Stromzufuhr und das Verschließen des Kanals erfolgen in einem Arbeitsschritt, was das Verfahren schnell und kostengünstig macht.

Zum Anlöten der Litze wird bevorzugt ein Hochfrequenzlötverfahren verwendet. Durch derartige induktive Lötverfahren wird eine besonders hohe Lötstellenqualität erzeugt, so dass sichergestellt ist, dass die Lötstelle dem hohen Betriebsdruck der Kurzbogenentladungslampe standhält. Eine erfindungsgemäße Kurzbogenentladungslampe mit einem einen Entladungsraum umschließenden Entladungsgefäß und einer in das Entladungsgefäß eingeschmolzenen Elektrode gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Elektrode ein Kanal ausgebildet ist. Eine derart gestaltete Kurzbogenentladungslampe ermöglicht das einfache Befüllen und Evakuieren des Entladungsraums mittels des eingangs geschilderten Verfahrens.

Der Kanal verläuft bevorzugt in einem Bereich der Elekt- rode, der abschnittsweise von außerhalb des Entladungsgefäßes zugänglich ist. Damit ist ein einfaches Verbinden des Kanals mit einer Gaszuleitung bzw. Gasableitung ermöglicht, ohne dass Manipulationen am Entladungsgefäß nötig sind, welche dessen strukturelle Stabilität mindern könnten.

Der Kanal verläuft in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung abschnittsweise geradlinig parallel zur Erstreckungsrichtung der Elektrode. Weiterhin erstreckt sich der Kanal bevorzugt abschnittsweise in eine Richtung mit einer Komponente senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Elektrode. Mit anderen Worten weist der Kanal eine Knickstelle auf, an welcher sich seine Verlaufsrichtung ändert, z.B. um etwa 90°. Dadurch wird sichergestellt, dass die Öffnungen des Kanals einen hinreichenden Sicher- heitsabstand zum Kopfbereich der Elektrode, an welcher im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe ein Lichtbogen anliegt, aufweisen. Die Anwesenheit des Kanals beeinflusst dadurch die Qualität des Lichtbogens im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe nicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kanal von außen durch ein Lot verschlossen. Dadurch kann auf zusätzliche Verschlussmittel verzichtet werden, deren Befestigung aufgrund unterschiedlicher Materialaus- dehnung von Verschlussmitteln und Elektrode problematisch wäre .

Die erfindungsgemäße Kurzbogenlampe lässt sich auch besonders gut Wiederverwerten. Dazu wird der zuvor geschilderte Verfahrensschritt nach dem Ende der Lebensdauer der Lampe einfach umgekehrt, d.h. die Lampe wird, beispielsweise in einer Handschuhbox durch Erwärmen des Lots am Ende des Kanals geöffnet und das Füllgas kann ausströmen, ohne dass dazu, wie bei herkömmlichen Kurzbogenlampen mit Pumpstängel, Glas zerstört werden muss. Das Entlöten kann beispielsweise wieder mittels Hochfrequenzheizen erfolgen, um möglichst wenig Verunreinigungen in den Wieder- verwertungsprozess einzubringen.

Die Elektrode der Kurzbogenentladungslampe ist bevorzugt aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet. SoI- che Elektroden vermögen den hohen thermischen Belastungen im Betrieb der Kurzbogenentladungslampe besonders gut standzuhalten .

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrode für eine Kurzbogenentladungslampe mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Eine solche Elektrode umfasst einen Stab zum Anlegen eines elektrischen Potentials und einen Kopf, von dem sich bei angelegtem Potential ein Lichtbogen zu einem Kopf einer weiteren Elektrode erstreckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Elektrode einen Kanal aufweist, welcher sich von einem Anschlussende des Stabes - also von demjenigen Ende, welches mit geeigneten Mitteln zum Zuführen elektrischen Stromes verbindbar ist - bis zu einer Austrittsöffnung an einem kopfseitigen Ende des Stabes erstreckt. Die Elektrode kann ein- oder mehrteilig sein, d.h. der Elektrodenstab und der Elektrodenkopf sind entweder zwei unterschiedlich ausgebildete Abschnitte eines einzigen Teils oder aber separate Teile, die zu einer Elektrode zusammengefügt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kurzbogenentladungslampe im Schnitt.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Eine in der Figur dargestellte, im Ganzen mit 10 bezeichnete Kurzbogenentladungslampe umfasst ein Entladungsgefäß 12, welches einen Entladungsraum 14 umschließt. Das Entladungsgefäß ist von einem abnehmbaren Schutzmantel 13 umgeben, der für den Betrieb der Lampe entfernt wird. In das Entladungsgefäß 12 ist eine Kathode 16 sowie eine A- node 18 eingeschmolzen.

Die Kathode 16 umfasst einen Stab 19, welcher mit einem Anschlussbereich 20 aus dem Entladungsgefäß 12 herausragt und mit seinem kopfseitigen Ende 22 mit einem Kopf 24 der Kathode verbunden ist. Der Kopf 24 ist kegelförmig ausgebildet, wobei der hintere Teil (Fuß) des Kopfes einen größeren Durchmesser hat als der Stab. Durch beide Maßnahmen ist gewährleistet, dass ein Zurückschlagen des Lichtbogens auf die Kathode 16 beim Zünden der Kurzbogen- entladungslampe 10 verhindert wird. Die Anode 18 ist e- benfalls in einen Stab 26, welcher mit seinem Endbereich 28 aus dem Entladungsgefäß 12 hinaus ragt, und einen Kopf 30 unterteilt.

Im Stab 19 der Kathode 16 ist ein Kanal 32 vorgesehen. Ein erster Bereich 33 des Kanals 32 verläuft vom Endbereich 20 des Stabes 19 zunächst parallel zu dessen Erstreckungsrichtung . Der Kanal 32 endet in einem durch eine Verengung 101 des Entladungsgefäßes von dem eigent- liehen Entladungsraum 14 getrennten Vorraum 102. Dazu knickt der Kanal 32 um circa 90° ab, wobei ein zweiter Bereich 34 des Kanals 32 senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Stabes 19 verläuft und in den Vorraum 102 mündet.

Die Verengung 101 dient der Stabilisierung der Elektrode 16. Dazu umgibt sie den Elektrodenstab 19 zwar lose, aber nicht gasdicht, um den später noch genauer erläuterten Gasaustausch zwischen dem Entladungsraum 14 und der Einmündung 34 des Kanals 32 während der Herstellung der Lam- pe zu ermöglichen. Der Entladungsraum 14 steht also nach dem Einschmelzen der Kathode 16 in das Entladungsgefäß 12 über den Kanal 32 mit der Außenluft in Verbindung. Um den Gasaustausch zu verbessern kann es zudem vorteilhaft sein, diese Verengung nicht über den gesamten Umfang aus- zuführen sondern nur an drei über den Umfang gleichmäßig verteilten Stellen, an denen das Gefäßmaterial bis zum Elektrodenstab nach innen gestülpt ist (nicht dargestellt) . Für weitere Details hierzu sei auf die Schrift DE 10 2005 046 483 Al verwiesen. Alternativ kann der Ka- nal 32 auch bis in den Entladungsraum 14 hinein verlän- gert sein und dort mit dem zweiten Bereich 34 einmünden (nicht dargestellt) .

Beim Befüllen des Entladungsgefäßes 12 wird dieses zunächst über den Kanal 32 mit einem Spülgas befüllt. Hier- zu wird in der Regel Argon oder ein Edelgasgemisch aus kostengünstigen Edelgasen verwendet. Das Spülen dient dem Entfernen von Restfeuchtigkeit sowie schädlichen Bestandteilen der Luft. Während des Spülens können die Elektroden 16, 18 zusätzlich erhitzt werden, um adsorbierte stö- rende Substanzen von ihnen zu lösen und diese mit dem Spülgas zu entfernen. Nach dem Spülen des Entladungsraums 14 wird dieser über den Kanal 32 evakuiert, so dass störende Feuchtigkeit und Gase möglichst vollständig entfernt werden. In den evakuierten Entladungsraum 14 wird dann das als Betriebsergebnis vorgesehene Füllgas, in der Regel Xenon, eingefüllt. Nach vollständiger Befüllung des Entladungsraumes 14 wird das Füllgas durch Beaufschlagen mit flüssigem Stickstoff eingefroren, um so ein Verschließen des Kanals 32 zu ermöglichen.

Das Verschließen des Kanals 32 erfolgt durch Aufbringen eines Lotes 35, welches gleichzeitig die Kathode 16 mit einer Litze 36 zum Zuführen von Strom verbindet. Hierzu wird ein induktives Hochfrequenzlötverfahren unter Schutzgasatmosphäre verwendet. Dadurch wird ein sicherer Halt des Lotes 35 am Stab 19 der Kathode 16 sichergestellt, so dass die Lötstelle den hohen Betriebsdrücken der Kurzbogenentladungslampe 10 von bis zu 100 bar standhalten kann. Auch die Anode 18 wird auf gleiche Weise mittels eines Lotes 38 mit einer Litze 40 verbunden. Nach dem Verlöten der Elektroden 16, 18 wird das Entladungsgefäß 12 schließlich noch in einen Schutzmantel 13 mon- tiert, um einer Beschädigung des Entladungsgefäßes 12 vorzubeugen. Für den Betrieb der Kurzbogenentladungslampe 10 wird der Schutzmantel 13 wieder entfernt.