DE3842770A1 - Verfahren zur herstellung einer zweiseitigen hochdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Lampe mit den im Hauptanspruch bezeichneten Merkmalen. Die Er­ findung betrifft insbesondere die Herstellung von Metallhalogenidhochdruckentladungslampen mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von maximal 50 W, wie sie in letzter Zeit vermehrt zum Zweck der Allgemein­ beleuchtung oder zum Einsatz in Kraftfahrzeugschein­ werfern vorgeschlagen wurden. Solche Lampen wurden bisher hergestellt, indem ein beidseitig offenes Quarzrohr zuerst einseitig verschlossen und anschlie­ ßend an der Stelle des künftigen Entladungsgefäßes durch Versammeln des Quarzglases dessen olivenförmige Gestalt ausgebildet wird. Danach werden in weiteren Arbeitsgängen das anfangs verschlossene Rohrende wieder geöffnet sowie ein Pumprohr mittig an das Ent­ ladungsgefäß angesetzt. Nachdem in die offenen Rohr­ enden jeweils ein Elektrodensystem eingeführt und eingeschmolzen wurde, werden die Füllsubstanzen und das Füllgas durch das Pumprohr in das Entladungs­ gefäß eingebracht und letztlich das Pumprohr abge­ schmolzen. Dieses aufwendige, arbeitsintensive Her­ stellverfahren hat den gravierenden Nachteil, daß an dem ohnehin sehr kleinen Entladungsgefäß - seine Länge beträgt nur ca. 7,5 mm, sein Durchmesser nur ca. 5,5 mm - durch das Ansetzen und Abschmelzen des Pumprohres Inhomogenitäten in der Materialverteilung entstehen, die zum einen die Cold-Spot-Temperatur und damit die Lichtfarbe der Lampe nachteilig beein­ flussen und zum anderen die von der Lampe emittierte Strahlung in einem nicht reproduzierbaren Maß streuen, was sich bei dem vorgesehenen Einsatz dieser Lampen in optischen Systemen besonders nachteilig bemerkbar macht.

Des weiteren ist bei dieser Art Lampen die Anlaufzeit zwischen der Zündung und dem Erreichen des Endlicht­ stroms noch immer unbefriedigend. Sie beträgt bei einer konventionell betriebenen Lampe ca. 40 sec. In dem DE-GM 86 23 908 wurde deshalb vorgeschlagen, die Lampe im ausgeschalteten Zustand fremd zu beheizen, um so die Füllsubstanzen verdampft zu halten und auf diese Weise von einem höheren Temperatur- und damit Druckniveau ausgehend eine verkürzte Anlaufzeit von nur ca. 8 sec zu erreichen. Abgesehen von der für die Fremdheizung erforderlichen zusätzlichen elektrischen Energie und dem damit verbundenen Installationsauf­ wand ist aber auch eine derart verkürzte Anlaufzeit für viele Anwendungszwecke noch immer nicht befrie­ digend.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anlaufzeit der Metallhalogenidlampe noch weiter zu verkürzen. Auf eine Fremdbeheizung der Lampe soll mit Rücksicht auf den zusätzlichen Energieverbrauch und die Maßnahmen für die Energieversorgung verzichtet werden. Außerdem soll ein einfaches Herstellverfahren für die in Frage kommenden Lampen geschaffen werden, bei dem keine inhomogene Materialverteilung am Entla­ dungsgefäß auftritt, um die zuvor beschriebenen Nach­ teile auszuschalten.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch aufgeführte Folge von Arbeitsschritten gelöst. Den Unteransprüchen sind weitere Details für die Herstellung der Metallhalogenid-Hochdruckent­ ladungslampen entnehmbar. Da die Arbeitsschritte des Füllens und Verschließens des Entladungsgefäßes in der hochreinen Atmosphäre der Glovebox erfolgen, können Verunreinigungen durch Fremdgase, wie H₂, O₂ oder durch H₂O, auf ein Minimum reduziert werden. Durch das Einfrieren des im verschlossenen Entladungsgefäß enthaltenen Xenon auf mindestens -112°C kann die zweite Quetschung außerhalb der Glovebox zügig herge­ stellt werden. Mit der beschriebenen Herstellungsweise wird eine erhebliche Verkürzung der Verfahrenszeit und eine Vereinfachung des gesamten Herstellverfahrens erreicht. Aufgrund des am Entladungsgefäß nicht mehr vorhandenen Pumprohres treten auch dort keine unter­ schiedlichen Wanddicken oder Inhomogenitäten anderer Art auf, wodurch die Strahlungsemission der Lampe sehr viel gleichmäßiger erfolgt als bei den bekannten Lampen mit Pumprohr. Das Xenon im Entladungsgefäß bewirkt einen hohen Sofortlichtanteil im unmittelbaren Anschluß an die Zündung, so daß auch schon vor dem Verdampfen der Metallhalogenide ein ausreichend hoher Lichtstrom zur Verfügung steht. Die Lampe ist für den Einsatz in optischen Systemen besonders geeignet, wie z. B. in Kraftfahrzeugscheinwerfern, bei denen es auf eine äußerst präzise Justierung und Anordnung der Hell-/Dunkelgrenze ankommt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von 6 Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a bis c die Herstellung eines vorgeformten Entladungsgefäßes,

Fig. 2 ein Elektrodensystem,

Fig. 3 das Entladungsgefäß mit vorhandener erster Quetschung,

Fig. 4a bis d die Bearbeitungsschritte in der Glovebox,

Fig. 5 eine fertige Metallhalogenidhochdruckentla­ dungslampe,

Fig. 6 die Anlaufkurve des Lichtstroms ϕ für die erfindungsgemäße Lampe.

Fig. 1a zeigt das auf eine Länge von ca. 150 mm ge­ schnittene Rohr 1 aus Quarzglas. Der Außendurch­ messer des Rohres beträgt ca. 4,5 mm, der Innendurch­ messer d ca. 2 mm.

Mit Hilfe der Flammen 2 wird zunächst das in Rotation versetzte Rohr 1 erwärmt und nach Erreichen der Ver­ formungstemperatur werden mittels der Formrolle 3 gleichzeitig beide Einschnürungen 4, 5 mittig und in einem definierten Abstand zueinander angebracht (Fig. 1b). Während des Erwärmens und des Verformens wird von einer Seite ein Stickstoffstrom N₂ mit einer Menge von ca. 10 l/h durch das Rohr 1 geführt. Durch das Anbringen der Einschnürungen 4, 5 wird das zukünftige Entladungsgefäß 6 (Fig. 1c) in seiner Länge von ca. 7,5 mm genau abgegrenzt. Die Einschnürung 4 weist einen geringeren lichten Durchmesser auf als die Einschnürung 5. Hierdurch entsteht zwischen den beiden Einschnürungen im erwärmten Bereich des zukünftigen Entladungsgefäßes 6 ein Gasstau p des Stickstoff­ stromes N₂, so daß dieser Bereich etwas aufgeblasen wird und seine olivenförmige Gestalt mit einem Außen­ durchmesser von ca. 5,5 mm annimmt.

Im nächsten Arbeitsgang wird das vorgefertigte Elek­ trodensystem (Fig. 2) in dasjenige Ende des Rohres 1 eingequetscht, das die Einschnürung 4 mit dem gerin­ geren Durchmesser aufweist. Das Elektrodensystem be­ steht aus einer Elektrode 7 aus Wolfram, einer Dich­ tungsfolie 8 aus Molybdän sowie aus einer Stromzufüh­ rung 9 aus Molybdän. Die Elektrode 7 ist an ihrem im Entladungsgefäß 6 angeordneten Ende mit einer Kugel 10 versehen. Die Stromzuführung 9 ist in der y-z-Ebene zickzackförmig gebogen, wobei der Winkel α, um den die gebogene Stromzuführung 9 von der x-z-Ebene abweicht, kleiner als 45°, vorzugsweise ca. 20°-30° ist. Die Höhe h, das ist jener Betrag, um den der Knick- oder Umkehrpunkt 11 der gebogenen Stromzufüh­ rung 9 von der x-z-Ebene abweicht, ist größer als der halbe Innendurchmesser d des Rohres 1. In der Praxis hat sich ein Verhältnis entsprechend h ≃ 0,55 d bewährt. Die Dichtungsfolie 8 ist in der x-z-Ebene ausgerichtet, also senkrecht zur y-z-Ebene der gebogenen Stromzuführung 9. Ein derart geformtes Elektrodensystem haltert sich innerhalb des Rohres 1 von selbst, indem die Knick- oder Umkehrpunkte 11 der Stromzuführung 9 klemmend an der Rohrinnenwand anliegen. Einmal an seiner vorbestimmten Position einjustiert, behält das Elektrodensystem diese bis zur endgültigen Fixierung bei. Zur sicheren Abstützung der Stromzuführung 9 an der Innenwand des Rohres 1 sind mindestens drei Knick- oder Umkehrpunkte 11 an jeder Stromzuführung 9 angebracht. Eine derart gestaltete Stromzuführung 9 zentriert sich in der Achse des Rohres 1 von selbst. Dadurch wird auch automatisch eine Zentrierung der Elektrode 7 im Entladungsgefäß 6 in der x-Koordinate der Dichtungsfolie 8 erreicht. Eine eventuell mögliche Dezentrierung senkrecht zur Ebene der Dichtungsfolie 8, also in der y-Koordinate, z. B. durch Verbiegen der Dichtungsfolie 8, wird beim Quetschvorgang ausgeglichen.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, wird anschließend die erste Quetschung 12 hergestellt. Hierfür wird das Rohr 1 im Bereich der Dichtungsfolie 8 auf eine für die Verformung geeignete Temperatur von oberhalb ca. 2200°C gebracht. Gleichzeitig wird ein Argonstrom durch das vorgeformte Rohr 1 geleitet. Nachdem die Quetschtemperatur erreicht ist, wird die erste Quet­ schung 12 hergestellt. Es wird zuerst die Quetschung abgedichtet, die der Einschnürung 4 mit dem geringeren Durchmesser benachbart ist. Die Herstellung der Quet­ schung an sich ist ein dem Fachmann im Lampenbau be­ kannter Vorgang und in den Figuren nicht gesondert dargestellt.

Das mit der ersten Quetschung 12 versehene Rohr 1 wird nun beim Einschleusen in die Glovebox zur Reinigung einer Hochvakuumglühung bei < 400°C und < 2×10^-5 mbar unterzogen. Die Glovebox 13 ist mit Xenon gefüllt. Der Fülldruck weicht um nicht mehr als einige 10 mbar vom umgebenden Atmosphärendruck ab. Das Füllgas Xenon der Glovebox 13 entspricht dem künftigen Füllgas der Metallhalogenidhochdruckentla­ dungslampe. Die Arbeitsschritte innerhalb der Glovebox 13 sind in der Fig. 4 dargestellt.

Fig. 4a zeigt die einseitig gequetschte Lampe der Fig. 3 in der Glovebox 13. Als Nächstes werden in das wieder erkaltete Entladungsgefäß 6 zuerst die Füll­ substanzen, bestehend aus einer Metallhalogenid-Pille 14 und einer Quecksilber-Kugel 15 und weiterhin das zweite Elektrodensystem (Fig. 4b) eingebracht. Die Füllsubstanzen fallen durch die noch offene Einschnü­ rung 5 mit dem größeren Durchmesser in das Entla­ dungsgefäß 6. Das Elektrodensystem wird, wie schon zuvor bei der Vorbereitung auf die erste Quetschung 12, selbsthalternd an seine ihm vorbestimmte Stelle in Position einjustiert, so daß die Elektrode 7 inner­ halb des Entladungsgefäßes 6 angeordnet ist und der Abstand der Kugeln 10 beider Elektroden 7 genau seinen vorgesehenen Wert erhält. Danach wird das Quarzrohr 1 an seinem offenen Ende innerhalb der Glovebox 13 mittels eines Plasmabrenners 16 oder eines Lasers dichtgeschmolzen (Fig. 4c), so daß nur noch eine Abschmelzspitze 17 (Fig. 4d) verbleibt.

In einer Alternative zu dem zuvor beschriebenen Ver­ fahren ist die Glovebox 13 mit Argon gefüllt und das Xenon für die gewünschte endgültige Füllung der Lampe wird innerhalb der Glovebox 13 gesondert eingefüllt. Dies erfolgt, indem das Xenon durch eine Spülkanüle durch das noch offene Ende des Rohres 1 in das Entla­ dungsgefäß 6 geblasen wird. Nach dem Einbringen der Füllsubstanzen 14, 15 und des zweiten Elektroden­ systems 7 bis 10 wird nochmals mit Xenon gespült. An­ stelle der zweimaligen Spülung mit Xenon kann auch nach dem Einbringen des zweiten Elektrodensystems 7-10 mit Hilfe eines in der Glovebox 13 angeordneten Pumpkopfes ein Gasaustausch vorgenommen werden. An­ schließend wird das zweite, noch offene Ende des Rohres mit dem Plasmabrenner verschlossen, wie bereits zuvor beschrieben. Bei einem derart verschlossenen Lampengefäß wird sich eine Mischung von der Argon- Atmosphäre der Glovebox 13 und des Füllgases Xenon einstellen. Der Xenon-Anteil im Lampengefäß wird bei ca. 50 bis 95% liegen, je nach Verweildauer des Rohres zwischen dem Gasaustausch und dem Abschmelzen. Durch den Fülldruck und die Zusammensetzung der Füll­ gase kann der später im Entladungsgefäß 6 resultie­ rende Xenon-Kaltfülldruck vorbestimmt werden. Das verschlossene Lampengefäß hat einen Kaltfülldruck von ca. 800 mbar.

Anstelle einer Glovebox-Atmosphäre mit Argon, wie in der Alternative beschrieben, ist auch eine Füllung der Glovebox 13 mit Stickstoff oder Helium denkbar, wobei das Xenon dann wieder mittels einer Spülkanüle oder eines Pumpkopfes, wie zuvor beschrieben, eingefüllt werden muß. Der Vorteil eines solchen Vorgehens liegt darin, daß für die Füllung der Glovebox 13 ein billi­ geres Gas verwendet wird und das teure Xenon selbst ausschließlich für die Füllung der Lampengefäße ver­ wendet wird.

Die vorgefertigte Lampe wird jetzt wieder der Glovebox 13 entnommen. Danach wird, wie schon bei der ersten Quetschung 12 beschrieben, der Bereich um die Dich­ tungsfolie 8 des zweiten Elektrodensystems auf die Quetschtemperatur von ca. 2200°C aufgeheizt und die zweite Quetschung 18 (Fig. 5) angebracht, indem das zweite Elektrodensystem eingequetscht wird. Während des Aufheiz- und Quetschvorganges wird der Bereich des Entladungsgefäßes 6 mittels flüssigem Stickstoff auf mindestens -112°C gekühlt, um das Xenon im Entla­ dungsgefäß 6 auszufrieren und ein Verdampfen des Metallhalogenids 14 und Quecksilbers 15 zu verhindern. Diese tiefe Temperatur muß solange gehalten werden, bis die Quetschung erfolgt ist. Die hohe Temperatur­ differenz von ca. 2400 K auf einer Länge von nur ca. 6 mm wird erreicht, indem die Flammen durch Ab­ schirmbleche abgehalten werden, während gleichzeitig der untere Bereich des Entladungsgefäßes durch Anspritzen mit dem flüssigen Stickstoff gekühlt wird. Aufgrund der geringen aufzuheizenden Masse der Quet­ schung 18 wird der Quetschungsbereich bis zum Aus­ führen der Quetschung 18 nur während ca. 5 bis 6 sec aufgeheizt. Die Quetschung 18 selbst kann anschlie­ ßend mit Blasluft abgekühlt werden. Der im Entla­ dungsgefäß 6 resultierende Xenon-Kaltfülldruck liegt im Bereich 1 bis 30 bar. Er ergibt sich bei vollstän­ digem Ausfrieren des Xenon aus dem Xe-Partialdruck im dichtgeschmolzenen Rohr 1 (Fig. 4d) und dem Verhält­ nis der Volumina vom Rohr 1 : Entladungsgefäß 6. Bei einem typischen Xe-Partialdruck im Rohr 1 von 600 bis 800 mbar, einem Rohrvolumen von 0,30 cm³ und einem Entladungsgefäßvolumen von 0,025 cm³ resultiert ein Xenon-Kaltfülldruck im Entladungsgefäß 6 von 7 bis 10 bar.

Des weiteren kann auch das Füllen der Quecksilber- Kugel 15 weggelassen werden. Die Rolle des Quecksil­ bers im Entladungsgefäß wird dann durch das Xenon übernommen. Gegenüber den herkömmlichen Xenon-Hoch­ drucklampen kann mit der Metallhalogenidfüllung (z. B. NaSc) die Lichtfarbe gesteuert und durch den Kreisprozeß eine höhere Lebensdauer erreicht werden.

Abschließend wird die Lampe der Quetschvorrichtung entnommen und es werden die über die Quetschungen 12, 18 hinausstehenden Rohrenden 1 ganz oder teilweise entfernt. Auch der zickzackförmig ausgeführte Teil der Stromzuführungen 9 kann entfernt werden. Eine fertige Metallhalogenidhochdruckentladungslampe 19 ist in Fig. 5 dargestellt. Mit den Lampen und der erfin­ dungsgemäßen Füllung wird eine Erhöhung der Lichtaus­ beute um mehr als 15% erreicht.

Der Anlauf des Lichtstroms einer derartigen Lampe ist in der Fig. 6 dargestellt. Die Lampe 19 selbst wurde an einem elektronischen, den Anlaufstrom regelnden Vorschaltgerät betrieben. Der Xenon-Kaltfülldruck im Entladungsgefäß 6 beträgt ca. 6 bar. Der Anlaufstrom liegt bei ca. 3,3 A, was etwa dem 8,5fachen Nennstrom der Lampe 19 entspricht. Wie hier deutlich zu erkennen ist, wird der 30%-Lichtstrom ϕ aufgrund der Xenon- Füllung quasi sofort nach der Inbetriebnahme und der 90%-Lichtstrom schon bei ca. 1 sec erreicht.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer zweiseitigen Hoch­ druckentladungslampe, wobei die Lampe (19) ein Ent­ ladungsgefäß (6) mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Entladungsgefäßes angeordneten Einschmelzungen oder Quetschungen (12, 18) aufweist, in die jeweils ein Elektrodensystem gasdicht eingeschmolzen ist, das aus einer im Entladungsgefäß (6) angeordneten Elek­ trode (7), einer von der Einschmelzung oder Quetschung (12, 18) eingebetteten Dichtungsfolie (8) und einer aus der Einschmelzung oder Quetschung (12, 18) in Lampenlängsachse austretenden Stromzuführung (9) besteht, und das Entladungsgefäß (6) eine den Betrieb aufrechterhaltende Füllung enthält, gekennzeichnet durch den Ablauf folgender Arbeitsgänge:

• a) Erwärmen und Einrollen eines durchgehend zylindri­ schen Rohres (1) aus Quarz auf eine vorbestimmte Länge zur Abgrenzung des künftigen Entladungs­ gefäßes (6).
• b) Einführen und Ausrichten eines ersten, vorgefer­ tigten Elektrodensystems (7-10) in ein Ende des Rohres (1).
• c) Erwärmen des Rohres (1) im Bereich der Dichtungs­ folie (8) des ersten Elektrodensystems und Her­ stellen einer ersten Einschmelzung in Form einer Quetschung (12).
• d) Einbringen der Füllsubstanzen (14, 15) durch das zweite, noch offene Ende des Rohres (1).
• e) Fluten des Entladungsgefäßes (6) mit einem Edelgas durch das zweite, noch offene Ende des Rohres (1).
• f) Einführen und Ausrichten des zweiten, vorgefer­ tigten Elektrodensystems (7-10) durch das zweite, noch offene Ende des Rohres (1).
• g) Verschmelzen des noch offenen Rohres (1) an seinem dem Entladungsgefäß (6) abgewandten Ende.
• h) Erwärmen des Rohres (1) im Bereich der Dichtungs­ folie (8) des zweiten Elektrodensystems (7-10) und Herstellen der zweiten Einschmelzung in Form einer Quetschung (18).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Arbeitsgänge a) und c) ein Inertgas­ strom durch das offene Rohr (1) geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Arbeitsgang c) das Entladungs­ gefäß (6) im Hochvakuum geglüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Arbeitsgänge d) bis g) innerhalb eines hermetisch abgeschlossenen Systems (13) durch­ geführt werden, wobei dieses, wie auch das zukünftige Entladungsgefäß (6), das gleiche Edelgas als Füllgas enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Xenon ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Arbeitsgänge d) bis g) innerhalb eines hermetisch abgeschlossenen Systems (13) durch­ geführt werden, wobei dieses ein von dem Füllgas des Entladungsgefäßes (6) abweichendes Inertgas enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Arbeitsgängen d) und g) das zukünftige Entladungsgefäß (6) mit dem endgültigen Füllgas geflutet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Durchführung des Arbeitsganges g) ein Plasmabrenner (16) oder ein Laser verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Durchführung des Arbeitsganges h) das Entladungsgefäß (6) teilweise auf mindestens -112°C gekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Durchführung der Arbeitsgänge b) und f) die Stromzuführung (9) eine sich innerhalb des Rohres (1) selbsthalternde Gestalt aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stromzuführung (9) mit mindestens drei Auflagepunkten (11) an der Innenwand des Rohres (1) abgestützt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Anschluß an den Arbeitsgang h) das jeweilige, über die Einschmelzung oder Quetschung (12, 18) hinausstehende Rohr (1), in dem auch der die Auflagepunkte (11) aufweisende Teil der Stromzuführung (9) angeordnet ist, ganz oder teilweise abgetrennt wird.