-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft einen Haltestab zum Halten einer Anode oder Kathode
gemäß den Patentansprüchen 1 und
5 sowie eine Entladungslampe mit zumindest einem derartigen Haltestab.
-
Entladungslampen,
insbesondere Quecksilberdampf- oder Xenon-Kurzbogenlampen, weisen üblicherweise
zum Halten ihrer Anode und Kathode in einem Entladungsraum zwei
Haltestäbe
auf, die aus Kalium dotiertem Wolfram bestehen. Nachteilig an dieser
Materialzusammensetzung ist, dass diese sehr spröde ist und somit bei hochwattigen
Entladungslampen, d. h., insbesondere bei Lampen größer 2 kW,
immer wieder Transportbrüche
auftreten, da derartige Entladungslampen sehr schwere Anoden und
große
Haltestablängen
aufweisen. Beispielhaft sei eine handelsübliche 5 kW-Queckilberdampf-Kurzbogenlampe
erwähnt,
die eine Anodenmasse von etwa 1000 g und eine Haltestablänge von etwa
100 mm aufweist.
-
Eine
Möglichkeit
zur Vermeidung derartiger Transportbrüche besteht darin, den Querschnitt
der Haltestäbe
so zu vergrößern, dass
die Haltestäbe
die großen
Anodenmassen aufnehmen können.
Aufgrund der kompakten Bauweise der Entladungslampen ist jedoch
eine derartige geometrische Vergrößerung nur bedingt möglich.
-
Eine
andere Möglichkeit
zur Vermeidung der Transportbrüche
wird darin gesehen, die Festigkeit der Haltestäbe zu erhöhen. Eine bekannte Maßnahme ist
die Verwendung von thoriertem Wolfram anstelle von Kalium dotiertem
Wolfram, was jedoch den Nachteil hat, dass das hierfür verwendete
Thorium radioaktiv ist und somit von einem derartigen Haltestab
eine radioaktive Belastung für
die Umwelt ausgeht.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Haltestab zum Halten
einer Anode oder Kathode einer Entladungslampe zu schaffen, der
zur Vermeidung von Brüchen
eine hohe Festigkeit aufweist und von dessen Materialzusammensetzung
keine radioaktive Belastung für
die Umwelt ausgeht. Ebenso liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Entladungslampe mit zumindest einem derartigen Haltestab zu
schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Haltestabs durch die Merkmale der
Patentansprüche
1 und 5 sowie hinsichtlich der Entladungslampe durch die Merkmale
des Patentanspruchs 9 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
-
Der
erfindungsgemäße Haltestab
für eine Entladungslampe,
insbesondere eine Quecksilberdampf- oder Xenon-Kurzbogenlampe, zum
Halten einer Anode oder Kathode in einem Innenraum eines Entladungsgefäßes enthält erfindungsgemäß dotiertes
Molybdän.
-
Eine
alternative erfindungsgemäße Lösung sieht
einen Haltestab vor, bei dem der Haltestab mit zumindest einer Metall-Sauerstoffverbindung
dotiertes Wolfram enthält.
Die Metall-Sauerstoffverbindung führt ebenfalls zu einer Erhöhung der
Festigkeit des Haltestabs. Beispielhafte Metall-Sauerstoffverbindungen
sind Lanthanoxid, Yttriumoxid oder Rheniumoxid.
-
Eine
erfindungsgemäße Entladungslampe weist
zumindest einen Haltestab aus dotiertem Molybdän oder aus Wolfram auf, das
mit einer Metall-Sauerstoffverbindung
dotiert ist.
-
Dotiertes
Molybdän
hat den Vorteil, dass es nach einer Wärmebehandlung bzw. Glühbehandlung bei
der Herstellung der Entladungslampe und im Betrieb der Entladungslampe
eine gegenüber
Kalium dotiertem Wolfram erhöhte
Duktilität
aufweist. Wegen der Duktilität
des dotierten Molybdäns
steigt nach der herstellungsbedingten Glühbehandlung die Festigkeit
bis zum Beginn der plastischen Verformung (Streckgrenze) um etwa
das Vierfache gegenüber Kalium
dotiertem Wolfram an. Weiterhin ist vorteilhaft, dass Molybdän ein geringeres spezifisches
Gewicht als Wolfram hat, so dass eine entsprechende Entladungslampe
gewichtsreduziert ausführbar
ist.
-
Vorzugsweise
wird als Dotierstoff Kalium verwendet, was den Vorteil hat, dass
Kalium dotiertes Molybdän
(MoQ) einfach und kostengünstig
herzustellen ist und von diesem Material keine radioaktive Belastung
für die
Umwelt ausgeht. Beispielsweise beträgt der Volumenanteil des Kaliums
etwa 100 ppm bis etwa 400 ppm, vorzugsweise etwa 280 ppm.
-
Die
Duktilität
des MoQ lässt
sich weiter erhöhen,
wenn der Haltestab vor dem Einbau in einem Bereich oberhalb 1800 °C, vorzugsweise
bei 2400 °C,
geglüht
ist. Dieses Rekristallisationsglühen
führt zwar
zu einem MoQ mit geringem Festigkeitsverlust, jedoch ist das rekristallisierte
Gefüge
temperaturstabil, d. h., eine nachfolgende Verlötung des Haltestabs mit der
Anode oder Kathode verändert
die Eigenschaften des MoQ nicht.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Nachstehend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Entladungslampe mit erfindungsgemäßen Haltestäben;
-
2 eine
vergrößerte Darstellung
eines Haltestabs aus 1;
-
3 eine
Versuchsanordnung zur Durchführung
von Biegeverformungen der Haltestäbe aus 1 und
-
4 grafische
Ergebnisse der Biegeverformungen aus 3.
-
Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer zweiseitig gesockelten Quecksilberdampf-Kurzbogenlampe
(HBO) oder einer Xenon-Kurzbogenlampe (XBO). Diese hat ein Entladungsgefäß 4 aus
Quarzglas mit einem Innenraum 6 und zwei diametral angeordneten,
abgedichteten Kolbenschäften 8, 10,
deren freie Endabschnitte 12, 14 jeweils mit einer
nicht dargestellten Sockelhülse versehen
sind. In den Innenraum 6 ragen zwei diametral angeordnete
Elektroden 16, 18, zwischen denen sich während des
Lampenbetriebs eine Gasentladung ausbildet. In dem Innenraum 6 des
Entladungsgefäßes 4 ist
eine ionisierbare Füllung
eingeschlossen, die im Wesentlichen aus Edelgas besteht.
-
Die
Elektroden 16, 18 sind als zweiteiliges Elektrodensystem
bestehend aus einem stromzuführenden
Haltestab 20, 22 und einer, mit diesem verlöteten, entladungsseitigen
Kopfelektrode 24 (Anode) bzw. Kopfelektrode 26 (Kathode)
ausgeführt.
-
Zur
Montage der Elektrodenköpfe 24, 26 an den
Haltestäben 20, 22 sind
die Elektrodenköpfe 24, 26 an
der entladungsfernen Seite jeweils mit einer Sacklochbohrung 28, 30 versehen,
in denen erste Endabschnitte 32, 34 der Haltestäbe 20, 22 befestigt sind.
-
Gemäß 1 ist
die Anode 24 als thermisch hochbelastete, tonnenförmige Kopfanode
ausgeführt,
bei der die Abstrahlleistung durch eine ausreichende Dimensionierung
der Elektrodengröße verbessert
ist. Die Kathode 26 ist zur Erzeugung hoher Temperaturen
mehrteilig mit einer kegelförmigen Kopfkathode 36 ausgeführt, die
auf einem zylindrischen Grundkörper 38 befestigt
ist und gewährleistet,
dass ein definierter Bogenansatz und ein ausreichender Elektronenfluss
aufgrund von thermischer Emission und Feldemission (Richardson-Gleichung) erzielbar
sind.
-
Zum
Halten der Elektroden 16, 18 in dem Entladungsgefäß 4,
sind in den Kolbenschäften 8, 10 Halteelemente 40, 42 aus
Quarzglas eingesetzt, die mit einer axial verlaufenden Durchgangsbohrung 44, 46 zur
Aufnahme der Haltestäbe 20, 22 versehen sind.
-
Die
Haltestäbe 20, 22 der
Elektroden 16, 18 sind derart in den Durchgangsbohrungen 44, 46 geführt, dass
diese in den Innenraum 6 reichen und dort die Elektrodenköpfe 24 bzw. 26 tragen.
Sockelseitig sind die Haltestäbe 20, 22 jeweils über die
Halteelemente 40, 42 hinaus verlängert und
mit einem zweiten Endabschnitt 72, 74 in eine
Aufnahmebohrung 45, 47 eines ringförmigen Haltetellers 48, 50 eingeführt.
-
An
den Haltetellern 48, 50 schließt sich jeweils ein Quarzzylinder 52, 54 an,
der in den Kolbenschaft 8, 10 eingeschmolzen ist
und an dessen Außenumfang
mehrere mit dem Halteteller 48, 50 verlötete Molybdänfolien 56, 58 angeordnet
sind, so dass eine gasdichte Stromdurchführung ausgebildet ist. Dabei
ist zur zusätzlichen
Stabilisierung der Anode 24 der Haltestab 22 durch
den Halteteller 50 hindurch in eine Bohrung 51 des
Quarzzylinders 54 geführt.
-
Die
Molybdänfolien 56, 58 sind
an jeweils einem Endabschnitt 60, 62 mit dem Rand
eines Kontakttellers 64, 66 verlötet, der
zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden 16, 18 mit
einem Stift 68, 70 verbunden ist.
-
Gemäß 2 ist
der erste Endabschnitt 32 und der zweite Endabschnitt 72 des
kathodenseitigen Haltestabs 20 zur Aufnahme in den Bohrungen 28, 45 radial
zurückgestuft.
Die Befestigung des Haltestabs 20 in den Bohrungen 28, 45 erfolgt
jeweils über
eine Verlötung
bei etwa 1800 °C.
-
Der
erste Endabschnitt 32 ist in radialer Richtung weniger
weit zurückgestuft
als der zweite Endabschnitt 72. Der erste Endabschnitts 32 ist
gemäß der Darstellung
in 1 in Axialrichtung länger als die Tiefe der Sacklochbohrung 28,
wobei die Axiallänge
zum Beispiel aus Stabilisierungsgründen auch so gewählt sein
kann, das der Haltestab 20 mit einer entsprechenden Ringstirnfläche an der
Kathode 26 angreift. Zum einfachen Einführen des ersten Haltestabs 20 in
die Sacklochbohrung 28 ist der erste Endabschnitt 32 angefast.
-
Der
zweite Endabschnitt 72 ist derart zurückgestuft, dass eine Ringstirnfläche 76 gebildet
ist, über die
der Haltestab 20 flächig
an dem Halteteller 48 angreift. Dabei ist die Axiallänge des
zweiten Endabschnitts 72 so gewählt, dass der Haltestab 20 den Halteteller 48 nicht
durchsetzt.
-
Der
nicht im Detail dargestellte anodenseitige Haltestab 22 ist ähnlich dem
in 2 beschriebenen kathodenseitigen Haltestab 20 ausgebildet.
Der Unterschied besteht darin, dass der zweite Endabschnitt 74 des
Haltestabs 22 über
den Halteteller 50 hinaus verlängert ist, um in die Bohrung 51 des Quarzzylinders 54 einzutauchen.
Die Verlängerung hat
den Vorteil, dass die Anodenmasse ebenfalls von dem Quarzzylinder 54 aufgenommen
wird und somit die Entladungslampe 2 stabiler ausgeführt ist.
-
Erfindungsgemäß bestehen
die Haltestäbe 20, 22 aus
Kalium dotiertem Molybdän
(MoQ), wobei der Volumenanteil des Kaliums etwa 100 ppm bis etwa
400 ppm, vorzugsweise etwa 280 ppm oder etwa 300 ppm, beträgt. Die
Anode 24 und die Kathode 26 bestehen vornehmlich
aus Kalium dotiertem Wolfram (W-BSD) und die Halteteller 48, 50 vornehmlich
aus MoQ.
-
MoQ
verhält
sich im nicht rekristallisierten Zustand ähnlich wie W-BSD. Beide Materialien
weisen in diesem Zustand eine sehr hohe Festigkeit und eine relative
gute Duktilität
auf. Im nicht rekristallisierten Zustand hat W-BSD sogar eine höhere Biegefestigkeit
Rm und eine höhere
Biegestreckgrenze Rp als MoQ. Im kristallisierten Zustand ist W-BSD
jedoch sehr spröde,
was durch die Verlötung
bei etwa 1800 °C
noch verstärkt
wird.
-
Im
Gegensatz dazu zeigt MoQ nach einem Rekristallisationsglühen ab 2000 °C und einer
anschließenden
Verlötung
bei etwa 1800 °C
ein sehr duktiles Gefüge.
Dieses Rekristallisationsglühen führt zwar
zu einem geringen Festigkeitsverlust, jedoch ist dieses rekristallisierte
Gefüge
temperaturstabil, so dass die Verlötung der Haltestäbe 20, 22 mit
den Elektroden 24, 26 sowie mit den Haltetellern 48, 50 die
duktilen Eigenschaften des MoQ nicht ändert.
-
Haltestabbezogene
Transportschäden
treten bei herkömmlichen
Entladungslampen im Wesentlichen unmittelbar in den Haltestäben und
nicht im Bereich der Verlötung
der Elektroden 24, 26 oder den Haltetellern 48, 50 sowie
nicht im Bereich der Umschmelzung der Halteteller 48, 50 durch
die Kolbenschäfte 8, 10 auf.
Zur Bestimmung der Festigkeit der erfindungsgemäßen Haltestäbe 20, 22 im
Vergleich zu bekannten Haltestäben
aus W-BSD wurden Biegeverformungsversuchen durchgeführt. Eine
entsprechende Versuchsanordnung ist in 3 dargestellt.
-
Die
Versuchsanordnung umfasst eine bekannte Universal-Prüfmaschine 78 mit
einem Auflagekörper 80,
der auf einem Querhaupt 82 angeordnet ist. Die Haltestäbe 20, 22 werden
einzeln über
einer prismaförmigen
Ausnehmung 84 des Auflagekörpers 80 liegend positioniert
und durch Verfahren des Querhaupts 82 gegen einen ortsfesten
Stempel 86 gedrückt,
der mit einer Lastmessdose 88 in einem Lastrahmen 90 zur
Messung der Belastung auf den jeweiligen Haltestab 20, 22 in
Verbindung steht. Der Durchmesser der Haltestäbe 20, 22 beträgt gemäß üblichen
Haltestabgeometrien 8 mm und die Breite B der Ausnehmung 84 beläuft sich
auf 10 mm. Die maximale Verfahrgeschwindigkeit des Querhaupts 82 beträgt 1000
mm/Min.
-
Die
Ergebnisse der Biegeverformungen sind in der oberen A und unteren
Grafik B der 4 gezeigt, wobei in der Grafik
A die Biegekraft F in KN über
dem Biegeweg S in mm und in der Grafik B das Biegemoment M in Nm über dem
Biegeweg S in mm aufgetragen ist. Ein bekannter Haltestab aus W-BSD verformt
sich elastisch bei gleichzeitiger Entstehung von bruchrelevanten
Anrissen. Bevor die theoretische Biegefestigkeit Rm erreicht ist,
setzt ohne eine plastische Verformung ein Sprödbruch ein. Die gebrochenen
Probehälften
lassen sich derart an der Bruchstelle zusammenfügen, dass die Probe als unverformt
erscheint. Die maximale Biegefestigkeit Rm liegt mit einer Glühbehandlung
bei 1800 °C
bei einen Wert von 581 N (Grafik A, Kurven b und c), was einen Biegemoment
(= Last·freier
Hebelarm) von 16 Nm (Grafik B, Kurven b und c) entspricht. Bei niedrigeren Glühtemperaturen,
beispielsweise bei 1500 °C,
liegt die Biegefestigkeit mit Rm = 888 N bzw. 26 Nm etwas höher (Kurven
a).
-
Dagegen
verformen sich erfindungsgemäße Haltestäben 20, 22 aus
MoQ gemäß der oberen
und unteren Grafik deutlich über
die Biegestreckgrenze Rp hinaus, bevor im Material der Bruch einsetzt
(Kurven d). Dabei ist die Verformung derart stark, dass ein Zusammensetzen
der Proben kaum möglich
und eine verbleibende Verbiegung von ca. 3-5 mm sichtbar ist. Nach
der oberen Grafik hält
ein bei 2400 °C mit
einer Haltezeit von 5 Minuten vorgeglühter bzw. rekristallisierter
MoQ-Haltestab 20, 22 mit
8 mm einer Biegelast von etwa 2632 N stand (Grafik A, Kurve d). Dies
entspricht einem Moment von 76 Nm (Grafik B, Kurve d). Erst bei
einer Last von etwa 3500 N würde der
Haltestab 20, 22 brechen. Somit ist die Scherbruchfestigkeit
(Biegestreckgrenze) etwa viermal so hoch wie die Festigkeit von
bekannten Haltestäben aus
W-BSD.
-
Ähnliche
Ergebnisse wie bei Haltestäben 20, 22 MoQ
lassen sich mit Haltestäben 20, 22 aus
Metall-Sauerstoffverbindungen dotiertem Wolfram erzielen. Vorteilhafte
Metall-Sauerstoffverbindungen sind dabei Lanthanoxid, Yttriumoxid
und Rheniumoxid.
-
Offenbart
ist ein Haltestab 20, 22 für eine Entladungslampe 2,
insbesondere eine Quecksilberdampf- oder Xenon-Kurzbogenlampe, zum
Halten einer Anode 24 oder Kathode 26 in einem
Innenraum 6 eines Entladungsgefäßes 4, wobei der Haltestab 20, 22 dotiertes
Molybdän
oder mit zumindest einer Metall-Sauerstoffverbindung
dotiertes Wolfram enthält. Des
Weiteren ist eine Entladungslampe mit einem derartigen Haltestab 20, 22 offenbart.