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Die
Erfindung betrifft eine Elektrode für Hochdruckentladungslampen
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und eine Hochdruckentladungslampe mit derartigen
Elektroden.
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1. Stand der Technik
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Die
Offenlegungsschrift
DE
101 37 794 A1 offenbart eine Wolframelektrode für Hochdruckentladungslampen,
deren entladungsseitiges Ende eine Stirnfläche aufweist, die mit mindestens
einer nadelartigen Erhebung versehen ist, deren Dicke erheblich kleiner
als die Dicke der Elektrode ist. Diese mindestens eine nadelartige
Erhebung gewährleistet
einen definierten Ansatz für
den Entladungsbogen der Hochdruckentladungslampe. Dadurch können die Verlustleistung
und die Temperatur der Elektrode sowie die Elektronenaustrittsarbeit
des Elektrodenmaterials gesenkt werden. Insbesondere ist daher kein Thoriumoxidzusatz
zu dem Elektrodenmaterial erforderlich, um die Zündwilligkeit der Lampe zu verbessern.
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II. Darstellung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Elektrode für Hochdruckentladungslampen sowie
eine diese Elektrode aufweisende Hochdruckentladungslampe bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Patentansprüche
1 und 5 gelöst. Besonders
vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
beschrieben.
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Das
Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Elektrode für Hochdruckentladungslampen
aus einem vorgefertigten Wolframdraht, der während des Herstellungsverfahrens
der Elektrode auf die erforderliche Länge gekürzt und einem Glühprozess
unterzogen wird sowie an gegebenenfalls vorhandene andere Komponenten
der Elektrode montiert wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der Glühprozess
ausschließlich
bei Temperaturen unterhalb von 1500 Grad Celsius durchgeführt wird.
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Durch
diese Maßnahme
ist gewährleistet, dass
sich im Wolframdraht während
des Glühprozesses
nicht die großvolumigen
einkristallinen Bereiche ausbilden können, die bei den Elektroden
gemäß dem Stand
der Technik üblicherweise
erwünscht sind,
sondern stattdessen die durch die Ziehprozesse während der Fertigung des Wolframdrahtes
erzeugte Kornstruktur mit in Längsrichtung
des Wolframdrahtes orientierten. faserartigen Kristalle im wesentlichen
erhalten bleibt und das sogenannte Grobkornwachstum im Wolframdraht
vermieden wird. Der so behandelte, in 1 abgebildete
Wolframdraht bzw. Wolframstab besitzt eine feine, langkristalline Struktur
mit Korndurchmessern in radialer Richtung des Wolframstabs von kleiner
oder gleich 50 Mikrometer mit einem Schwerpunkt der Korngrößenverteilung
im Bereich von ca. 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer. Das heißt, die
Breite der Körner
ist kleiner oder gleich 50 Mikrometer, wobei zur Definition der Breite
die Messung der Kornbreite quer zur Längserstreckung der Elektrode
in einem Abstand des halben Elektrodendurchmessers von der entladungsseitigen Elektrodenspitze
herangezogen wird, und das Maximum der Korngrößenverteilung liegt in dem
Bereich von 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer.
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Während der
Einbrennphase der mit den nach erfindungsgemäßen Elektroden ausgestatteten Hochdruckentladungslampen
spalten die faserartigen Kristalle am entladungsseitigen Ende der
Elektroden auf, so dass sich ein Elektrodenkopf ausbildet, der eine
zumindest aufgeraute oder eine mit Furchen übersäte Oberfläche aufweist. Die zerfurchte
Oberfläche
des Elektrodenkopfes bietet hervorragende Ansatzpunkte für den Entladungsbogen
der Hochdruckentladungslampe. Außerdem verringert der mit Furchen überzogene
Elektrodenkopf die Elektronenaustrittsarbeit derart, dass keine
Emittermaterialien mehr benötigt
werden, um Elektronen für
die Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe freizusetzen. Insbesondere
ist kein Zusatz von Thoriumoxid zu dem Elektrodenmaterial erforderlich,
um eine niedrige Temperatur der Elektrode an der Entladungsbogenansatzfläche und
geringe Elektrodenverlustverleistung der Hochdruckentladungslampe
zu gewährleisten.
Stattdessen kann ein im ppm-Bereich mit Kalium, Silizium und Aluminium
dotiertes Wolframmaterial, zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode
verwendet werden.
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Bei
der in 2 gezeigten Wolfram-Elektrode gemäß dem Stand
der Technik, die üblicherweise Glühprozessen
weit oberhalb von 1500 Grad Celsius unterzogen wird, bildet sich
hingegen während
der Einbrennphase der Hochdruckentladungslampe ein kugelförmiger Elektrodenkopf
mit einer vergleichsweise glatten Oberfläche aus, die keinen definier ten Ansatzpunkt
für den
Entladungsbogen in der Lampe bietet. Der in 2 abgebildete
Wolframstab besitzt eine grobkörnige
Kristallstruktur, das heißt,
er besitzt große
einkristalline Bereiche. Die in 2 dargestellte
Wolfram-Elektrode gemäß dem Stand
der Technik besitzt die gleichen Abmessungen wie die Elektrode gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Der
Glühprozess
wird vorteilhafterweise in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt, um
eine Reinigung des Wolframstabs von durch die Ziehprozesse verursachten
Verunreinigungen zu befreien. Außerdem wird der Glühprozess
ausschließlich
bei Temperaturen unterhalb von 1500 Grad Celsius und zwar vorzugsweise
im Temperaturbereich von 1100 Grad Celsius bis 1300 Grad Celsius
durchgeführt.
Es hat sich gezeigt, dass durch eine Glühung in diesem Temperaturbereich
eine Rekristallisation des Wolframs mit anschließendem Grobkornwachstum verhindert
werden kann. Als besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Elektrode
hat sich die Verwendung eines Wolframstabs bzw. Wolframdrahtes mit einem
von Wolframanteil von mindestens 99 Gewichtsprozent und einem geringen
Kaliumanteil, vorzugsweise von kleiner als 100 ppm (100 Parts per million)
erwiesen. Aus fertigungstechnischen Gründen weist das Material des
Wolframstabs zusätzlich auch
geringe, das heißt
im ppm-Bereich angesiedelte Mengen an Silizium und Aluminium auf.
Die Zusätze
von Kalium, Aluminium und Silizium erleichtern die Ziehprozesse
bei der Fertigung des Wolframstabs und tragen zur Stabilisierung
der oben erläuterten
faserartigen Kornstruktur bei.
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Bei
der erfindungsgemäßen Elektrode
wird zumindest das entladungsseitige Ende von einem Wolframstab
gebildet, wobei der Wolframstab eine langkristalline oder isotrop
kristalline Struktur mit Korndurchmessern in radialer Richtung.
des Wolframstabs von kleiner oder gleich 50 Mikrometer mit einem
Schwerpunkt der Korngrößenverteilung
im Bereich von 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer aufweist.
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Wie
bereits oben erläutert
wurde, besteht der Wolframstab der erfindungsgemäßen Elektrode vorzugsweise
zu mindestens 99 Gewichtsprozent aus Wolfram und weist geringe Mengen,
das heißt,
im ppm-Bereich von Kalium, Silizium und Aluminium auf. Der Anteil
von Kalium ist kleiner als 100 ppm. Beim Einsatz dieser Elektrode
in einer Hochdruckentladungslampe bildet sich, wie bereits oben
beschrieben, ein Elektrodenkopf mit einer rauen bzw. zerfurchten
Oberfläche
oder sogar ein gesplissener Elektrodenkopf aus, der einen stabilen
Ansatzpunkt für
den Entladungsbogen bietet und die Elektronenaustrittsarbeit erniedrigt,
so dass keine Emittermaterialien benötigt werden. Die erfindungsgemäße Elektroden
ist daher frei von Thorium bzw. Thoriumoxid. Die 4 und 5 zeigen
einen Vergleich eines Elektrodenkopfes einer erfindungsgemäßen Elektrode
(4) mit dem einer Elektrode gemäß dem Stand der Technik (5)
nach der Einbrennphase der Hochdruckentladungslampe. Der in 5 abgebildete
Elektrodenkopf gemäß dem Stand
der Technik besitzt im Vergleich zu dem in 4 abgebildeten erfindungsgemäßen Elektrodenkopf
eine glatte Oberfläche.
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Die
erfindungsgemäße Elektrode
lässt sich besonders
vorteilhaft in quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen (3)
für Kraftfahrzeugscheinwerfer
einsetzen. Auch bei diesen Lampen kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden
auf den Zusatz von Thoriumoxid zu dem Elektrodenmaterial verzichtet werden.
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III. Beschreibung des bevorzugten Ausführunsbeispiels
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Eine
um das Hundertfache vergrößerte Abbildung
eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Elektrode
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2 Eine
um das Hundertfache vergrößerte Abbildung
eines Ausschnitts einer Elektrode gemäß dem Stand der Technik
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3 Eine
schematische Darstellung einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
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4 Eine
um den Faktor 300 vergrößerte Abbildung
des Elektrodenkopfes der Elektrode aus 1 nach ihrer
Montage in der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe und
nach Beendigung der Einbrennphase der Lampe
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5 Eine
um den Faktor 300 vergrößerte Abbildung
des Elektrodenkopfes der Elektrode aus 2 nach ihrer
Montage in einer quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe und
nach Beendigung der Einbrennphase der Lampe
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Bei
der in 1 abgebildeten Elektrode 11 handelt es
sich um eine einteilige Stiftelektrode, die aus einem Wolframstab
mit einem Durchmesser von 0,3 mm und einer Länge von 7,5 mm besteht. Der Wolframstab 11 besitzt
einen Wolframanteil von ca. 99,9 Gewichtsprozentprozent und weist
einen geringen Anteil von Kalium im Bereich von 60 ppm bis 95 ppm
sowie noch geringere Anteile von Silizium (kleiner als 5 ppm) und
Aluminium (kleiner als 10 ppm) auf. Der Wolframstab 11 weist
eine langkristalline Struktur mit Korndurchmessern in radialer Richtung des
Wolframstabs zwischen 5 Mikrometer und 50 Mikrometer mit einem Schwerpunkt
der Korngrößenverteilung
im Bereich von 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer auf.
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Ausgangsmaterial
für die
Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode
bzw. des Wolframstabs 11 ist Wolframdraht, der mittels
der bekannten und üblichen
pulvermetallurgischen Verfahren mit Hilfe von Sinter-, Hämmer-, Walz-
und Ziehprozessen hergestellt wird. Der vorgefertigte Wolframdraht
besitzt bereits den gleichen Durchmesser wie der Wolframstab 11.
Der Wolframdraht wird auf die oben genann te Länge gekürzt, um den Wolframstab 11 zu
erhalten und anschließend
einer Reinigungsglühung
in einer Wasserstoffatmosphäre
bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1300 Grad Celsius für eine Dauer
im Bereich von 30 bis 60 Minuten unterzogen.
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Zwei
der Elektroden bzw. der Wolframstäbe 11, 12 werden
in das Entladungsgefäß einer
Hochdruckentladungslampe, vorzugsweise einer Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
für Kraftfahrzeugscheinwerfer
montiert. Eine derartige Lampe ist schematisch in der 3 dargestellt.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung handelt es sich um eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe
mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von ungefähr 35 Watt.
Diese Lampe ist für
den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen. Sie besitzt
ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 30 aus Quarzglas
mit einem Volumen von 24 mm3, in dem eine
ionisierbare Füllung
gasdicht eingeschlossen ist. Im Bereich des Entladungsraumes 106 ist
die Innenkontur des Entladungsgefäßes 30 kreiszylindrisch
und seine Außenkontur
ellipsoidförmig
ausgebildet. Der Innendurchmesser des Entladungsraumes 106 betrugt
2,6 min und sein Außendurchmesser
6,3 mm. Die beiden Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 sind
jeweils mittels einer Molybdänfolien-Einschmelzung 103, 104 abgedichtet.
Im Innenraum des Entladungsgefäßes 10 befinden
sich zwei Elektroden 11, 12, zwischen denen sich
während
des Lampenbetriebes der für
die Lichtemission verantwortliche Entladungsbogen ausbildet. Die Elektroden 11, 12 bestehen
aus Wolfram. Ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser beträgt 0,30
mm. Der Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 beträgt 4.2 mm.
Die Elektroden 11, 12 sind jeweils über eine
der Molybdänfolien-Einschmelzungen 103, 104 und über die sockelferne
Stromzuführung 13 bzw. über die
sockelseitige Stromrückführung 14 elektrisch
leitend mit einem elektrischen Anschluss des im wesentlichen aus Kunststoff
bestehenden Lampensockels 15 verbunden. Das Entladungsgefäß 10 wird
von einem gläsernen
Außenkolben 16 umhüllt. Der
Außenkolben 16 besitzt
einen im Sockel 15 verankerten Fortsatz 161. Das
Entladungsgefäß 10 weist
sockel seitig eine rohrartige Verlängerung 105 aus Quarzglas
auf, in der die sockelseitige Stromzuführung 14 verläuft.
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Die
in dem Entladungsgefäß eingeschlossene
ionisierbare Füllung
besteht aus Xenon mit einem Kaltfülldruck von 11800 hPa, 0,25
mg Natriumjodid, 0,18 mg Scandiumjodid, 0,03 mg Zinkjodid und 0,0024
mg Indiumjodid. Die Brennspannung U der Lampe beträgt 45 Volt.
Ihre Farbtemperatur beträgt 4000
Kelvin, ihr Farbort liegt in der Normfarbtafel nach DIN 5033 bei
den Farbkoordinaten x = 0,383 und y = 0,389. Ihr Farbwiedergabeindex
beträgt
65 und ihre Lichtausbeute beträgt
90 lm/W.