Titel: Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe und Verfahren zu ihrer Fertigung

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Elektroden sind insbesondere für Hochdruck ^¬ entladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß geeig- net .

Stand der Technik

Die WO 2005/062343 offenbart eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, bei der ein Sublimationslaser zur Erzielung einer Bohrung im Kopf der Elektrode verwendet wird.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine E- lektrode für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustel ^¬ len, die eine optimierte asymmetrische Form besitzt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet, Elektroden für Hochdruckentladungslampen in komplexer Formgebung einfach und kostengünstig herzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk ^¬ male des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweils abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird jetzt eine Elektrode vorgestellt, die aus Wolfram-Material oder anderem hochwärmebeständi ^¬ gem Material wie TaC gefertigt ist und die eine optimier ^¬ te asymmetrische Form aufweist.

Im Einzelnen handelt es sich um eine Elektrode für ei ^¬ ne Hochdruckentladungslampe, aus einem Stab oder Stift einteilig geschnitten, mit einem Elektrodenkopf als erstem Segment und einem Schaft als zweitem Segment, wobei die Elektrode eine asymmetrische Form besitzt, die mittels Sublimationslaser hergestellt wurde.

Insbesondere lässt sich damit ein Kopf herstellen, der helmartig gestaltet ist, wobei Seitenwandflachen des Kopfes abgetragen sind.

Eine andere Ausführungsform ist, dass ein Kugelab- schnitt parallel zur Längsachse des Schafts abgetragen ist, wobei die Schnittkante des Kugelabschnitts insbesondere mit einer Verlängerung einer Schaftkante zusammenfällt .

Insbesondere kann der Kopf als Ellipsoid oder oderPa- raboloid geformt sein. Der übergang zwischen dem Kopf und dem Schaft kann zusätzlich einen Hinterschnitt aufweisen .

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaft der Elektrode pfeilerartig mit längsparallelen Nuten versehen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Entladungsge ^¬ fäß für eine Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer Elektrode wie vorstehend beschrieben.

Eine bevorzugte Anwendung dieser Elektroden ist bei einem Entladungsgefäß, das aus keramischem Material, insbesondere Al ₂ O ₃ , gefertigt ist, und einseitig ver ^¬ schlossen ist. Derartige Entladungsgefäße werden insbesondere bei Hochdruckentladungslampen, insbesondere mit Metallhalogenidfüllung verwendet.

Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mittels Laser mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines zylindrischen Stabs oder Stifts aus hochschmelzendem Material, insbesondere aus Wolfram, Legierungen mit Wolfram, oder TaC;

- Verkugeln eines Endes des Stabs durch Laserbe- schuss;

Nachbearbeiten der so hergestellten massiven einstückigen Elektrode mittels eines Sublimationsla- ser.

Formen der Elektrode sind nachstehend näher erläutert.

Eine derartige Form ist beispielsweise ein helmartiger Kopf, der eine Kerbe aufweist, oder ein helmartiger Kopf, der einen umlaufenden Querschlitz aufweist. Insbesondere kann auch der Schaft der Elektrode komplex gestaltet sein, insbesondere pfeilerartig mit Längsriefen versehen. Eine weitere bevorzugte Form ist ein Kopf, der pilzartig einen Schirm besitzt.

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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger komplexer Formen. Wesentlich dafür ist die Anwendung eines Sublimationslasers zur Formgebung der Elektrode. Damit ist insbesondere ein Laser gemeint, der eine hohe Strahlungsdichte aufweist, die mindestens dazu ausreicht, um Wolfram zu sublimieren.

Die hohe Strahlungsdichte muss ausreichen, um das Elekt ^¬ rodenmaterial bei der Bearbeitung und Formgebung vom fes ^¬ ten direkt in den gasförmigen Zustand zu bringen. Dies kann ein ausreichend leistungsstarker Nd:YAG-Laser oder CO2-Laser sein. Ein bevorzugter Aspekt ist, dass er aus ^¬ reichend kurze Pulse von höchstens 1 μs Dauer bereit ^¬ stellt und die nötige Energiedichte liefert, um zumindest Wolfram zu sublimieren. Eine typische Repetitionsrate ist 5 bis 50 kHz.

Diese Elektrode ist besonders gut geeignet für

Metallhalogenidfüllungen, die in keramischen

Entladungsgefäßen untergebracht sind. Derartige

Entladungsgefäße werden für Metallhalogenidlampen verwendet .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh ^¬ rungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zei ^¬ gen :

Figur 1-9 eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslam- pe in verschiedenen Ausführungsformen;

Figur 10 eine Hochdruckentladungslampe mit derartiger Elektrode .

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel einer Elektrode 1 zeigt Figur 1. Sie hat einen zylindrischen Schaft 2 und einen Kugelkopf 3. Das Abrunden des Kugelkopfes geschieht durch Verkugeln mittels eines leistungsstarken Nd: YAG-Lasers (Pfeil) . Die Elektrode ist einstückig aus Wolfram gefertigt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode 1 zeigt Figur 2. Dort ist in Figur 2a eine massive einstückige Elektrode 1 aus Wolfram gezeigt, die ursprünglich als Ku ^¬ gelkopf-Elektrode wie in Figur 1 hergestellt wurde. Sie wird jedoch noch weiter bearbeitet, indem ein spezieller Sublimations-Laser den symmetrischen Kugelkopf 3 helmartig an den beiden zum Schaft parallelen Seiten verschmälert, so dass seitliche Wandstücke abgetragen werden. Es verbleibt ein Helm 3'. Auch die entladungsseitige Ober- fläche 4 kann mit dem Sublimationslaser auf eine speziel ^¬ le Krümmung eingestellt werden.

In Figur 2b ist die in Figur 2a beschriebene Elektrode noch weiter bearbeitet. Dabei wird mit einem Sublimati ^¬ onslaser in der Mitte des Helms 3' quer zur Achse des Schaftes eine umlaufende Riefe 5 erzeugt.

In Figur 2c ist die in Figur 2a beschriebene Elektrode weiter bearbeitet, indem mit einem Sublimationslaser an der Spitze des Helms 3' ein Schlitz 6 erzeugt wird.

In Figur 2d ist die in Figur 2a beschriebene Elektrode weiter bearbeitet, indem mit einem Sublimationslaser an der Spitze des Helms 3' eine Bohrung 7 erzeugt wird.

In Figur 3 ist die Formgebung für eine Elektrode 10 mit zylindrischem Kopf 11 dargestellt. Auch hier ist die E- lektrode einstückig aus Vollmaterial hergestellt. Figur

3a zeigt, wie mit dem Sublimationslaser der Schaft 12 aus einem ursprünglich zylindrischen Stab abgetragen wird. Auch hier kann der Sublimationslaser wieder dafür verwendet werden, um gemäß Figur 3b eine umlaufende Riefe 13 zu erzeugen. Gemäß Figur 3 c kann auch ein Querschlitz 14 am Kopf erzeugt werden. Gemäß Figur 3d kann eine zentrale Bohrung 15 am Kopf erzeugt werden. Insbesondere kann der Sublimationslaser auch dazu verwendet werden, den Kopf mit mehreren Einstichen 16 zu versehen, siehe Figur 3e. In Figur 4a bis 4e sind die zugehörigen Querschnitte A--A bis E--E durch die Elektroden der Figur 3 gezeigt.

In Figur 5 ist eine massive Kugelkopf-Elektrode 20 ge ^¬ zeigt, die zunächst wie in Figur 1 hergestellt worden ist. Danach erfolgt jedoch noch ein einseitiger Flanken- abtrag durch einen Sublimationslaser, so dass der Kugelkopf 21 nur noch entweder auf einer Seite über den Schaft 22 übersteht, siehe Figur 5a, oder auf einer Seite 24 schmäler übersteht als auf der andern Seite 26, siehe Fi ^¬ gur 5b. In Figur 6 ist eine Elektrode 30 gezeigt, die einstückig aus einem Stab wie in Figur 1 hergestellt ist. Dabei wird nach Formung des Kugelkopfs eine zusätzliche Formgebung in asymmetrischer Weise, nämlich der Kopf 31 als El- lipsoid o.a., erreicht, indem ein Sublimationslaser den Kopf 31 nachträglich bearbeitet, insbesondere mittels "Laserschuss und/oder indem der Wolframstift beim Formen des Kopfes unterhalb des Sublimationslasers positioniert wird.

Figur 7 zeigt eine massive einstückige Stift-Elektrode 35 aus Wolfram. Sie ist aus einem W-Stift oder Stab mit ursprünglich konstantem Durchmesser gefertigt. Dabei ist

der ursprüngliche Durchmesser des Stifts am Kopf 36 als zylindrischer Kopf erhalten, im Bereich des Schafts 37 aber durch Nuten 38 abgetragen, siehe Figur 7a. Vier Nuten 38 sind längsparallel im Schaft ausgespart, so dass dessen Wärmekapazität verringert ist. einen Querschnitt durch den Schaft 37 zeigt Figur 7b.

Figur 8 zeigt eine Kegelkopf-Elektrode 40 ähnlich wie in DE 202006004567 beschrieben. Diese ist aus einem massiven einstückigen Stab gearbeitet. Am Kopf 41 ist der ursprüngliche Durchmesser des Stabs erhalten geblieben. Der Kopf verjüngt sich kegelschnittartig 42 in Richtung Schaft 43. Der Durchmesser des eigentlichen Schafts 43 ist deutlich kleiner als der maximale Durchmesser des Kopfs 41. Die Abtragung des Materials kann auch hier erfindungsgemäß am besten mit Hilfe eines Sublimationslasers erfolgen. Bisher ist nur die Möglichkeit des Fräsens bekannt. Der Vorteil des Bearbeitens mittels Sublimationslaser ist, dass die Oberflächen sauberer geschnitten werden können, dass die Elektrode berührungslos bearbeitet werden kann und dass die Formgebung deutlich präziser realisiert werden kann. Dieser Vorteil besteht gegenüber thermischen Verfahren aller Art, sowie gegenüber mechanischen und chemischen Verfahren . Figur 9 zeigt eine Elektrode 50, die ebenfalls wieder aus dem Rohling der Figur 1 durch Weiterbearbeitung erzeugt werden kann. Dabei ist der Schaft 51 zylindrisch, der Kopf 52 hat die Gestalt eines Pilzschirms. In Querschnitt kann die Kontur des Kopfes als Parabel beschrieben wer- den. Der Schirmrand 53 kann gerade abgeschnitten oder wie dargestellt geschwungen geführt sein.

Figur 10 zeigt ein einseitig verschlossenes Entladungsge ^¬ fäß 60 für eine Hochdruckentladungslampe. Es ist bevorzugt aus Keramik. In das innere Volumen 61 erstre ^¬ cken sich zwei Elektroden 62, die asymmetrisch zueinander stehen, ähnlich wie in Figur 5 beschrieben. Früher mussten derartige Elektroden aufwendig mechanisch zusammenge ^¬ setzt oder aus einem Block gefräst werden, siehe DE-A 36 40 990. Mit dem neuen berührungslosen Verfahren mittels Sublimationslaser lässt sich eine Vielzahl dreidimensio- naler Formen präzise ausarbeiten. Hier hat der Kopf 63 der Elektrode zumindest näherungsweise die Gestalt eines Ellipsoids, dessen Wärmekapazität auf die Bedürfnisse hin optimiert ist.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mittels La- ser verwendet folgende Schritte:

- Bereitstellen eines zylindrischen Stabs oder Stifts aus hochschmelzendem Material, insbesondere Wolfram, Legie ^¬ rungen mit Wolfram, oder TaC;

- Verkugeln eines Endes des Stabs durch Laserbeschuss wie an sich bekannt;

- Nachbearbeiten der so hergestellten massiven einstückigen Elektrode mittels eines Sublimationslaser.

Das Verkugeln erfolgt ähnlich wie im Prinzip in DE-A 42 03 975 beschrieben.