CN103548112A - 气体放电灯和用于气体放电灯的电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气体放电灯的电极，所述电极具有实心的电极头（2）和与这个电极头连接的电极杆（4），所述电极杆具有引导部段，所述引导部段能够引导穿过所述气体放电灯的放电容器的壁或者能够熔化到这个壁中或者能够由所述壁包围。根据本发明，所述电极杆的至少一个部段的结构被优化以用于提高所述电极杆的强度。所述结构在此是部段的晶格结构或者织构结构或者表面结构（8）。此外，本发明还公开了一种具有放电容器和两个设置在所述放电容器中的电极的气体放电灯，所述电极中的至少一个如之前所描述的那样构成。

Description

气体放电灯和用于气体放电灯的电极

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的电极或者涉及根据权利要求11的前序部分所述气体放电灯。

背景技术

气体放电灯，其在下文中也理解为高压气体放电灯或者超高压气体放电灯，包含电极对，所述电极对优选由钨构成。气体放电灯的功率或者瓦特数越高，通常优选由钨构成的电极就越大进而也越重，因此所述电极能够经受住与高功率相关联的高电流强度和由此产生的高温。

这尤其适用于电极的头部，在所述头部上在彼此相对置的端部部段上出现放电电弧。电极头必须在这个区域中经受住接近钨的熔点的温度。因为在所述高的温度下电极材料的具有与钨相比更低的熔化温度的组成部分增多地蒸发到放电容器的气体环境中，所以至少电极头的尽可能高的纯度是重要的，以便阻碍放电容器的黑化形式的沉淀并且阻碍与之关联的气体放电灯的使用寿命降低。

电极杆或电极杆在每个电极头的另一个端部部段上的引导部段在适当的热过程中与气体放电灯的放电容器的玻璃基体气密性地熔合（例如熔化法或者挤压法）。在此，主要使用具有高的耐热性的石英玻璃。由于石英玻璃和钨的非常不同的膨胀系数，在熔合时或者在气体放电灯运行中，在熔合部的边界层上出现应力，所述应力能够导致电极杆和玻璃基体之间的边界层上的裂缝。此外在熔合时，在玻璃和电极杆之间遗留空腔。这两种现象——空腔和裂缝——能够损害放电容器的稳定性和密封性，并且在电极杆的横截面或直径越大，所述空腔和裂缝就越大并且越多。由于这个原因，尝试使所述电极杆的横截面保持尽可能小。

但是由于高纯度的钨的脆性，由重的电极头和小的电极杆横截面组成的组合导致电极的稳定性降低，这特别是在具有尤其大的电极头的高瓦数的灯中是有问题的。稳定性降低能够导致电极杆的易碎性提高或者导致电极杆弯曲。后者特别是在频繁的开关操作循环中在熔化部的区域中被观察到。

在现有技术中通过在放电容器中的电极杆的熔化部的区域中的妥协来应对电极或电极杆的稳定性和放电容器的稳定性之间的冲突。在大的电极头直径的情况下，依此匹配地使用大的电极杆直径。

在用于高瓦数的气体放电灯的电极中，所述电极由于所提到的原因具有实心的电极头，所述电极头优选由实心材料车削成型，所述实心材料的直径必须至少相应于电极头的最大直径。电极杆也一件式地与电极头一起由实心材料车削成型，一旦电极杆比电极头更薄，这就由于由电极杆车削下来的材料而导致显著的材料损耗。

为了将材料损耗降低到最小，已知的是，由两个部件组装电极，因此这两个部件，即电极头和电极杆，能够由不同直径的半成品制成。

对此，WO2007/138092A2示出一种多件式的电极和用于其生产的组装方法。电极具有电极杆，所述电极杆经由电阻对焊法或者压焊法与电极头材料配合地连接。虽然因此能够通过使用不同的半成品降低材料损耗，但是此外关于这个解决方案不利的是，随着所述电极被设为用于的气体放电灯的功率增大，以及电极头的与所述功率关联的必要的大小，具有增大的横截面的电极杆也是必要的。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种具有提高的强度的电极或者一种具有拥有提高的强度的电极的气体放电灯。

所述目的通过根据权利要求1所述的电极或者通过根据权利要求11所述的放电灯来实现。

尤其优选的设计方案在从属权利要求中得出。

根据本发明的、用于气体放电灯的、特别是用于高压气体放电灯或者超高压气体放电灯的电极，具有实心的电极头和与其连接的电极杆，所述电极杆具有引导部段，所述引导部段可被引导穿过气体放电灯的放电容器的壁或者可熔化到所述壁中或者可由所述壁包围。根据本发明，优化电极杆的至少一个部段的或者整个电极杆的结构以提高电极杆的强度。所述结构在此是部段的或电极杆的晶格结构或者晶体结构或者织构结构或者表面结构。

这种对结构的优化实现了，在被优化的部段或被优化的电极杆的给定的横截面中，特别是相对于塑性的变形或断裂提高所述部段或电极杆的强度，或为了所要求的强度而减小横截面。根据本发明的对结构的优化实现了电极头直径与电极杆直径的直径比大约为5。反之，常规的不具有部段或电极杆的优化的结构的电极的直径比仅为大约3.8。因此，提高部段的或者电极杆的强度进而提高不具有材料加固部并且不具有用于加固的附加的装置的电极的强度。由于电极的多件式特性，电极头与电极杆不被一件式地制成而是电极头与电极杆连接或者组装，所以电极杆的结构上的优化在此能够与电极头不相关地进行，这决定性地简化优化的电极杆的批量生产，因为在电极杆的优化步骤中不必采取用于保护或者保养敏感的电极头的措施。因此，例如实现了用于同时对多个电极杆的棱边进行倒圆的滚动鼓轮加工，这引起生产耗费的显著降低。

电极头与电极杆的连接优选通过熔焊或钎焊，特别是通过电阻对焊、压力对焊、激光对焊或者摩擦焊接形成。

这类的结构被优化的、在预设的横截面中具有提高的强度的电极杆特别是对于具有从大约250瓦起的功率的高瓦数的气体放电灯是有利的，因为尤其在这种应用情况下，大的电极头必须由电极杆保持并且这个电极杆同时应是尽可能稳定和薄的。实心的电极头优选由实心材料经由切削法例如通过车削成型来而加工出来。附加地，所述电极头也能够由线圈缠绕。

在一个优选的改进方案中，晶格结构为了其优化而晶格优选具有带有掺杂材料的掺杂部。以这种方式尤其能够降低电极杆的部段的脆性或者提高其强度。特别地，因此在电极的冷的状态中提高电极杆的断裂强度，这例如将电极上的因振动引起的运输损伤降低到最小。

掺杂部或掺杂材料优选包含钾。

在一个优选的改进方案中，掺杂部的浓度最大为100ppm，以至于将部段与电极头连接的焊接连接的区域中的缩孔形成受到限制。尤其优选浓度最大为70ppm。

优选地，电极杆主要由钨构成，因为钨很好地经受放电电弧的产生温度。对此替选地，在对耐热性要求较低时，电极杆主要由钼构成。

在另一个优选的改进方案中，部段和引导部段在空间上重合，以至于电极杆的结构在下述区域中被优化：在所述区域中电极杆或其引导部段可被引导穿过气体放电灯的放电容器的壁或者可熔化到所述壁中或者可由所述壁包围。这在考虑电极杆的引导部段与放电容器的壁的相互作用的情况下实现电极杆的强度的提高。在这个改进方案中，特别是具有纹理的表面结构的优化是有利的。

表面结构或部段的纹理具有在所述部段的纵轴线方向上小于横向于这个方向的平均的粗糙度被证明是尤其有利的。如果部段和引导部段例如在空间上重合，那么可行的是，为电极杆或其引导部段在放电容器的壁的区域中实现轴向的可动性，并且将电极杆和放电容器之间的剪切应力或者摩擦应力最小化，这引起放电容器的故障概率降低以及还有电极杆弯曲的倾向减小。

在一个优选的改进方案中，至少电极杆的引导部段，在一个更尤其优选的改进方案中，整个电极杆，由线制成，特别是由拉制的或者轧制的线制成。在此尤其有利的是，由于拉制或者轧制，线的径向的外部区域的织构结构比线的径向的内部区域的织构的粒度更细或者更紧密。这是优化的织构结构，通过所述织构结构提高了部段或电极杆的强度。

在一个优选的改进方案中，如果这个表面结构具有多个大致平行于部段的纵轴线伸展的纵向槽，那么得出有效地优化表面结构。尤其，在将线用于构成电极杆时，这种优选的表面结构已经能够在制造线时简单地通过拉制来生产。

因此电极经受最高的温度，并且为了提高能够使用电极的气体放电灯的使用寿命，电极头的至少一个部段，特别是在其上可出现放电电弧的部段，由高纯度的钨构成。在此，钨的杂质的浓度优选小于10ppm，尤其优选小于等于5ppm，更尤其优选小于等于1ppm，这在电极的运行中产生电极材料的非常小的蒸发率，进而引起放电容器的仅最小程度的黑化。这也提高了气体放电灯的使用寿命。

根据本发明的气体放电灯，特别是高压气体放电灯或者超高压气体放电灯，具有放电容器，在所述放电容器中大致相对地设置两个电极。这两个电极中的至少一个在此具有实心的电极头和与这个电极头特别是材料配合地，例如通过熔焊或钎焊连接的电极杆。这个电极杆具有引导部段，所述引导部段被引导穿过放电容器的壁或者所述引导部段熔化到所述壁中或者所述引导部段由所述壁包围。根据本发明，在此电极杆的或者电极杆的至少一个部段的结构被优化以用于提高电极杆的强度。所述结构在此是部段的或电极杆的晶格结构或者晶体结构或者织构结构或者表面结构。

这种对结构的优化实现了：在电极杆的或部段的横截面被给定时，特别是为了防止塑性的变型或者断裂而提高所述电极杆或部段的强度，或为了所需要的强度而减小横截面。因此，提高部段或电极杆的强度进而提高没有材料加固部和没有附加的加固装置的电极的强度。由于具有组装的电极头和电极杆的电极的多件式特性，对结构的优化在此能够与电极头无关地进行，这决定性地简化优化的电极杆的批量生产，因为在优化步骤中不必采取用于保护或者用于保养敏感的电极头的措施。因此，例如实现了用于同时对多个电极杆的棱边倒圆的滚动鼓轮加工，这引起生产耗费的显著降低。电极头与电极杆的连接优选通过熔焊或者钎焊来形成，特别是通过电阻对焊、压力对焊、激光对焊或者摩擦焊接来形成。气体放电灯优选是高瓦数的并且优选具有从大约250瓦起的功率。

在气体放电灯的一个优选的改进方案中，电极杆或其部段的晶格结构或晶体结构经由具有掺杂材料的掺杂部优化，以至于例如降低电极杆或部段的脆性并且提高断裂强度。掺杂部在此优选具有钾。掺杂部的浓度优选最大为100ppm，尤其优选最大为70ppm。电极杆尤其优选主要由钨构成，但是对此替选的是，例如在对耐热性要求较低时，主要由钼构成。

在气体放电灯的另一个优选的改进方案中，织构结构被优化为，使得电极杆的或部段的径向的外部区域的织构比电极杆的或者部段的径向的内部区域的织构的粒度更细或者更紧密，由此实现了提高的表面硬化并且在热交变载荷下，例如在气体放电灯的短暂的开关循环或频繁的开关过程中，降低电极杆弯曲的倾向。

在另一个优选的改进方案中，表面结构被优化为，使得平均的粗糙度沿部段的纵轴线的方向比横向于这个方向更小。这是尤其有利的是，所述部段在此与引导部段在空间上重合并且所述引导部段熔化到壁中。在气体放电灯运行中引导部段热膨胀时，以这种方式使引导部段的表面相对于放电容器的壁的移动容易进行并且由于这两种材料的不同的温度膨胀系数，壁和电极杆之间的剪切应力被降低。引导部段的表面结构在一个优选的改进方案中具有多个大致平行于引导部段的纵轴线伸展的纵向槽。

在一个有利的改进方案中，引导部段由套筒包围或者设置在这个套筒中，并且套筒熔化或者装入到壁中。在套筒中，引导部段通过其表面以可在轴向上移动的方式被支撑，这由于壁和电极杆之间的剪切应力而同样降低了壁的机械负荷。尤其有利的是，引导部段的表面结构设置有纵向槽。由此，优选槽峰与套筒的内表面接触，由此电极杆和套筒之间的剪切应力被进一步降低。套筒在此优选主要由钼构成，钼在高温中也不允许与引导部段或与电极杆烧结。

附图说明

在下文中应根据三个实施例和八个示意性的附图详细阐述本发明。附图示出：

图1示出具有电极杆的优化的表面结构的电极的第一实施例的示意侧视图；

图2示出具有电极杆的通过掺杂部优化的晶格结构的电极的第二实施例的示意侧视图；

图3示出根据图2的第二实施例的电极的示意显微图片。

图4示出根据图2和3的第二实施例的电极的放大的抛光后的示意显微图片。

图5示出根据图2至4的第二实施例的电极的放大的蚀刻后的示意显微图片。

图6示出具有未被掺杂的电极杆的第三实施例的电极的示意显微图片。

图7示出根据图6的第三实施例的电极的放大的抛光后的示意显微图片。

图8示出根据图6和7的第三实施例的电极的放大的蚀刻后的示意显微图片。

具体实施方式

图1示出电极1的第一实施例的示意图。

电极1具有实心的电极头2并且还具有电极杆4，所述电极杆由恰好被拉制为电极杆4的所需要的端部直径的线制成。线的半成品通过粉末冶金的烧结法由高纯度的钨粉末制成。电极1整体地由具有小于10ppm的杂质浓度的钨构成。电极头2和电极杆4经由对焊法组装在连接部位6上。

与常规的由单一的实心材料块车削成型出的一件式的电极相比，使用用于电极杆4的拉制的线尤其具有如下优点，即通过牵拉过程优化了电极杆4的径向的边缘区域中的织构结构或提高了密度。此外，通过拉制，优化了电极杆4的内部区域的织构结构。整个电极杆4由此具有提高的强度并且能够参照电极头2的大小以相对小的横截面或直径来设计。

根据图1，电极头2的最大的横截面具有1.8mm的外径，电极针的外径为0.5mm。

将拉制的线用于制造电极杆4的另一个优点在观察在图1中通过虚线示出的材料损耗中变得明显，所述材料损耗当电极1以常规的方式由实心材料车削成型时可能会出现。

电极杆4此外沿着其总长度具有通过纵向槽8优化的表面结构，所述表面结构可能已经在拉制用于产生电极杆4的线时经由拉制工具被引入。在此，平均的粗糙度在电极杆4的纵轴线10的方向上比横向于纵轴线10的方向更小。

与根据图1的第一个实施例不同的是，图2示出电极101的第二实施例的示意侧视图，所述电极具有电极杆104的由掺杂部优化的晶格结构。

电极101附加地具有螺旋线圈120，电极101的实心的电极头102由该螺旋线圈包围。电极头102从在图2中设置在右侧的连接部位106延伸直至在图2中在左侧示出的半球形的电极头尖部，在所述连接部位上电极头102与电极杆104经由对焊法被组装。螺旋线圈120在独立的过程中成形，紧接着被推到电极头102上并且通过激光焊接或设置在螺旋线圈120的端部部段上的激光焊接点固定在电极头102上。对此替选的是，螺旋线圈120能够借助于成本更低的电阻对焊法固定在电极头102上。电极头102和螺旋线圈120由具有杂质浓度小于10ppm的钨构成。

电极杆104由被拉制的钨线构成。这种线与根据图1的第一实施例的电极杆（参见4，图1）不同的是不具有分别优化的、呈纵向槽状（参见8，图1）形式的表面结构。但是，电极杆104在径向的边缘区域中和在内部区域中也具有在根据图1的第一实施例中所讨论的根据线的拉制法来优化的织构结构。

与根据图1的第一实施例不同的是，电极杆104在其整个长度上具有——在图2中通过点表示的——具有钾的掺杂部122。为了获得被尽可能均匀掺杂的线，在之前的粉末冶金的生产步骤中将钾引入。钾的浓度为70ppm，由此在连接部位106的区域中的缩孔形成在对焊时被限制到可接受的程度上。

图3至5示出根据图2的第二实施例的根据本发明的被掺杂的电极101的显微图片以说明其结构。

图3示出由具有1.8mm直径的实心材料车削成型出的电极头102。电极杆104的线在标准拉制法中拉伸至0.5mm的直径，由钨构成并且均匀地设有用于稳定织构的钾掺杂部122（参见图2）。在电极头102和电极杆104之间的连接部位106的区域中，构成有具有已改性的织构特性的熔化区作为对焊的结果。

图4示出根据图3的围绕连接部位106的处于抛光状态中的显微区域。在此，能尤其好地识别出在焊接部的或热影响区的区域B的径向的外部区域中的示作黑点的缩孔。

图5示出根据图3和4的围绕连接部位106的放大且附加地被蚀刻的显微区域。

可识别出三个粗糙的可通过虚线相对于彼此限界的区域A、B和C。在电极头102的邻接于连接部位106的区域B的区域A中，构成大的多边形的晶粒。在对焊期间产生强烈的热影响的区域B中，发生晶粒的再结晶。在被掺杂的邻接于区域B的电极杆104的区域C中，所述织构的晶粒大多是延伸的和交织的。由于电极杆104的具有70ppm的钾的掺杂部，在区域B中的径向的外部区域中在熔焊部的区域中此外可识别出黑色的空腔或缩孔。

为了示出被掺杂的电极杆与未被掺杂的电极杆的织构中的区别，在图6至8中示出根据本发明的电极201的第三实施例的显微图片，所述电极的电极杆204与在图2至5中示出的第二实施例的不同是未被掺杂的并且由高纯度的钨构成。电极201的几何基本尺寸在此与根据图2的第二实施例的电极的几何基本尺寸相同。

在图6中示出的具有未被掺杂的电极杆204的电极201的完整的显微图片具有一些可容易识别的与具有被掺杂的电极杆104的电极101（参见图3）相应的显微图片的区别。

仅在观察图7和8时阐明所述区别。

图7示出根据图6的显微图片的抛光后的显微图片的放大的部分图。与第二个（被掺杂的）实施例（参见图4）相反，未能识别出黑色的空穴，这表明，在电极杆204和电极头202的焊接连接部位206的区域B’中不构成空腔或缩孔。

图8示出根据图7的显微图片的围绕连接部位206的放大的且附加地被蚀刻的区域。

类似于图5，在此可识别出三个粗糙地通过虚线相对于彼此限界的区域A’，B’和C’。在电极头202的与焊接部的区域B’邻接的区域A’中和电极针204的区域C’中，构成多边形的晶粒。在区域B’中，发生晶粒的再结晶，在所述区域中在对焊期间产生强烈的热影响。图3至8因此阐明了，电极杆的掺杂部在接着的焊接或作用到被掺杂的材料上的强烈的热作用时能够导致缩孔形成或连接部位的削弱。掺杂部的浓度因此需要被优化。实验表明，在电极杆中观察到70至100ppm的最大的掺杂浓度时，连接部位不经受任何强度损失。

在所有示出的实施例中，所述结构（晶格结构、织构结构、表面结构）中的至少一个被优化。这种优化在所有的实施例中不仅延伸到电极杆4；104；204的部段上，而且延伸到这些电极杆4；104；204的整个长度上。应指出的是，本发明也要求保护如下电极杆，在所述电极杆中仅电极杆的一个部段的结构被优化。此外，这个部段能够在空间上与引导部段重合，所述引导部段在电极的已安装的状态下被引导穿过气体放电灯的放电容器的壁来或者所述引导部段熔化到所述壁中或者所述引导部段由所述壁包围。

从现有技术中已知在大约3.8之内的直径比。常规的电极例如具有下述直径：电极头=1.5mm/电极针=0.4mm；这相应于3.6的直径比。

不与所示出的实施例相关，与之相反通过以根据本发明的方式优化的电极杆或电极杆的部段，可实现更大的大约5.0的直径比。一个例子是：电极头=1.5mm/电极针=0.3mm，这相应于5.0的直径比。

申请人保留如下权利：针对用于制造以根据本发明的方式进行结构优化的电极的方法而提出专利申请。

这个可应用于所有的实施例的、用于生产用于气体放电灯的、特别是用于高压或超高压气体放电灯的根据本发明的方法，具有如下步骤中的至少一个，以用于提高电极杆的至少一个部段的或者整个电极杆的强度，所述步骤即：

-“优化电极杆的至少该部段的或者整个电极杆的晶格结构，”

-或者“优化电极杆的至少该部段的或者整个电极杆的织构结构”，

-或者“优化电极杆的至少该部段的或者整个电极杆的表面结构”。

步骤“优化晶格结构”优选通过用掺杂材料来掺杂电极杆的该部段的或者整个电极杆的或者电极杆的半成品来实现。优选地，掺杂通过在粉末冶金的方法步骤中添加掺杂材料来实现。尤其优选地，掺杂材料是钾或者至少具有钾。掺杂材料的浓度在此优选小于大约100ppm。尤其优选地，所述掺杂材料的浓度小于大约70ppm。

步骤“优化织构结构”或者步骤“优化表面结构”优选通过将电极杆的半成品拉制或轧制为线来实现。被优化的表面结构在此优选具有在纵向方向上比沿横向方向小的粗糙度。尤其优选地，表面结构通过纵向槽优化。织构结构优选在半成品的或线的径向的边缘区域中通过更精细的晶粒或者更紧密的织构来优化。

Claims (15)

1.一种用于气体放电灯的电极，所述电极具有实心的电极头（2；102；202）和与所述电极头连接的电极杆（4；104；204），所述电极杆具有引导部段，所述引导部段能够被引导穿过所述气体放电灯的放电容器的壁或者能够熔化到所述壁中或者能够由所述壁包围，其特征在于，所述电极杆（4；104；204）中的至少一个部段的结构被优化以用于提高所述电极杆（4；104；204）的强度，其中所述结构是晶格结构或者织构结构或者表面结构。

2.根据权利要求1所述的电极，其中所述晶格结构具有掺杂部（122）。

3.根据权利要求2所述的电极，其中所述掺杂部（122）具有钾。

4.根据权利要求2或3所述的电极，其中所述掺杂部（122）的浓度最大为100ppm。

5.根据上述权利要求之一所述的电极，其中所述电极杆（4；104；204）主要由钨构成。

6.根据上述权利要求之一所述的电极，其中所述部段和所述引导部段在空间上重合。

7.根据上述权利要求之一所述的电极，其中所述部段的所述表面结构具有在所述部段的纵轴线（10）方向上小于横向于所述方向的平均的粗糙度。

8.根据上述权利要求之一所述的电极，其中至少所述引导部段由线形成。

9.根据上述权利要求之一所述的电极，其中所述部段的所述表面结构具有多个大致平行于所述引导部段的纵轴线（10）伸展的纵向槽（8）。

10.根据上述权利要求之一所述的电极，其中所述电极头（2；102；202）的至少一个部段由高纯度的钨构成，并且其中杂质的浓度小于10ppm。

11.一种气体放电灯，其具有放电容器和两个在所述放电容器中大致正相对地设置的电极，其中所述电极中的至少一个具有实心的电极头和与所述电极头连接的电极杆，所述电极杆具有引导部段，所述引导部段被引导穿过所述放电容器的壁或者所述引导部段熔化到所述壁中或者所述引导部段由所述壁包围，其特征在于，所述电极杆中的至少一个部段的结构被优化以用于提高所述电极杆的强度，其中所述结构是晶格结构或者织构结构或者表面结构。

12.根据权利要求11所述的气体放电灯，其中所述晶格结构经由掺杂部被优化。

13.根据权利要求11或12所述的气体放电灯，其中所述织构结构被优化为，使得所述部段的径向的外部区域的织构比所述部段的径向的内部区域的织构的粒度更细或者更紧密。

14.根据权利要求11至13之一所述的气体放电灯，其中所述表面结构被优化为，使得平均的粗糙度在所述部段的纵轴线的方向上比横向于所述方向更小。

15.根据权利要求11至14之一所述的气体放电灯，其中所述引导部段设置在套筒中，所述套筒熔化或者装入到所述壁中。

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