DE102008014096A1

DE102008014096A1 - Wolframelektrode für Hochdruckentladungslampen und Hochdruckentladungslampe mit einer Wolframelektrode

Info

Publication number: DE102008014096A1
Application number: DE102008014096A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Almanstötter; Rainer Himml; Ulrike Dr. Voigt; Frank Dr. Werner
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2009109566A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Wolframelektroden für Hochdruckentladungslampen, die Thoriumoxid enthalten, wobei der Gewichtsanteil von Thoriumoxid in dem Material der Wolframelektrode (11, 12) im Bereich von 0,3 Gewichtsprozent bis 0,5 Gewichtsprozent liegt und die Wolframelektroden (11, 12) zusätzlich Kalium mit einem Gewichtsanteil im Bereich von 0,003 Gewichtsprozent bis 0,009 Gewichtsprozent enthalten. Außerdem betrifft die Erfindung auch Hochdruckentladungslampen mit derartigen Elektroden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Hochdruckentladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer derartigen Elektrode.
I. Stand der Technik
Die EP 0 299 230 A1 offenbart eine Kathode für Hochdruckentladungslampen, die aus einem Wolframstab besteht, der mit Thoriumoxid dotiert ist. Der Anteil von Thoriumoxid in dem Kathodenmaterial beträgt 0,4 Gewichtsprozent.
Die US 6,809,478 B2 offenbart eine Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe für Fahrzeugscheinwerfer mit Wolframelektroden, die nicht mehr als 0,4 Gewichtsprozent Thoriumoxid enthalten.
II. Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, verbesserte Elektroden für Hochdruckentladungslampen und eine Hochdruckentladungslampe mit einem geringeren Rückgang des Lichtstroms über die Lebensdauer der Lampe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Wolframelektrode für Hochdruckentladungslampen enthält Thoriumoxid, insbesondere Thoriumdi oxid, mit einem Gewichtsanteil im Bereich von 0,3 Gewichtsprozent bis 0,5 Gewichtsprozent und zusätzlich enthält das Material der Wolframelektrode Kalium mit einem Gewichtsanteil im Bereich von 0,003 Gewichtsprozent bis 0,009 Gewichtsprozent. Durch die Kombination der Zusatzstoffe Thoriumoxid und Kalium in den vorgenannten Mengen wird der Rückbrand der Wolframelektrode beim Einsatz in einer Hochdruckentladungslampe reduziert. Außerdem werden bei Verwendung derartigen Wolframelektroden in Hochdruckentladungslampen, insbesondere in Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen, der Rückgang des Lichtstroms über die Lebensdauer der Lampe verringert. Das Thoriumoxid in der Wolframelektrode sorgt für eine optimale Elektrodenspitzentemperatur in der Hochdruckentladungslampe, da Thorium eine geringe Elektronenaustrittsarbeit besitzt. Bei einem Gewichtsanteil von mehr als 0,5 Gewichtsprozent von Thoriumoxid in dem Material der Wolframelektrode wird allerdings vermehrt Sauerstoff freigesetzt, der mit der Füllung im Entladungsgefäß der Hochdruckentladungslampe reagiert und die Lichtstrommaintenance verschlechtert oder zu einer Schwärzung des Entladungsgefäßes führt, da das in der Wolframelektrode gebundene Thoriumoxid allmählich im Verlauf der Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe zu Thorium reduziert wird. Das so entstandene Thorium wandert entlang der Korngrenzen der länglichen Wolframkristalle zu den Enden der Wolframelektrode und verlässt die Wolframelektrode, da Thorium in Wolfram nicht löslich ist. Das sich an den Enden der Wolframelektrode sammelnde Thorium verbessert aufgrund seiner geringen Elektronenaustrittsarbeit die Emissivität der Elektrode in der Hochdruckentladungslam pe. Beträgt der Gewichtsanteil von Thoriumoxid in dem Material der Wolframelektrode aber weniger als 0,3 Gewichtsprozent, so trägt das Thoriumoxid bzw. das Thorium nicht mehr ausreichend zu einer Verbesserung der Emission der Elektrode der Hochdruckentladungslampe bei. Ein Gewichtsanteil an Kalium von größer oder gleich 0,003 Gewichtsprozent sorgt in der erfindungsgemäßen Wolframelektrode für eine Stabilisierung des Kristallgefüges in der Wolframelektrode. Mit Hilfe des Kaliums bilden sich während der Ziehprozesse und der Glühungen der Wolframelektrode bei deren Herstellung stabile Wolframkristalle mit langkristalliner Struktur aus. Wird der Kaliumanteil unter den vorgenannten Wert von 0,003 Gewichtsprozent reduziert, so tritt ein verstärkter Rückbrand der Wolframelektrode während des Lampenbetriebs auf. Erhöht man den Kaliumanteil in der Wolframelektrode hingegen auf Werte oberhalb von 0,009 Gewichtsprozent, so tritt ein starkes Kaliumblasenwachstum in der Wolframelektrode auf, das die Wolframelektrode brüchig werden lässt.
Vorteilhafterweise ist der Gewichtsanteil aller Dotierstoffe und Zusätze sowie Verunreinigungen in dem Material der Wolframelektrode kleiner oder gleich 1,0 Gewichtsprozent, um die Schmelztemperatur der Wolframelektrode nicht zu reduzieren. Insbesondere ist der Anteil einer Verunreinigung des Elektrodenmaterials mit Aluminium in der Wolframelektrode vorteilhafterweise kleiner als 0,0001 Gewichtsprozent, um eine hohe Bruchfestigkeit der Wolframelektrode zu gewährleisten. Der Anteil anderer Verunreinigungen in dem Elektrodenmaterial ist vorteilhafterweise kleiner oder gleich 0,003 Gewichtsprozent.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Wolframelektrode als Wolframstab, Wolframstift oder Abschnitt eines Wolframdrahtes ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Elektrode wird vorzugsweise als Gasentladungselektrode in Hochdruckentladungslampen wie beispielsweise Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen verwendet.
In 1 ist ein Vergleich der Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Lampen für erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampen und konventionelle Hochdruckentladungslampen dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist die Betriebsdauer der Lampen in Stunden und auf der vertikalen Achse ist der Lichtstrom in Prozent des anfänglichen Lichtstroms der Lampen dargestellt. Die Messkurve 1 zeigt die prozentuale Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Lampe für erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampen, während die Messkurve 2 die prozentuale Abnahme des Lichtstroms in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Lampe für konventionelle Hochdruckentladungslampen zeigt. Bei den der Messung zugrunde liegenden erfindungsgemäßen und konventionellen Hochdruckentladungslampen handelt es sich jeweils um Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen für Fahrzeugscheinwerfer gemäß der Darstellung in 1. Die der Messkurve 1 von 1 zugrunde liegenden erfindungsgemäßen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen besitzen Wolframelektroden mit einer Zusammensetzung gemäß der Tabelle 2, während die der Messkurve 2 in 1 zugrunde liegenden konventionellen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen thorierte Wolframelektroden mit einem Thoriumdioxidgehalt von 1,0 Gewichtsprozent und keinen Zusatz von Kalium aufweisen. Der 1 ist zu entnehmen, dass die Abnahme des Lichtstroms über die Betriebsdauer bei den erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen deutlich geringer ist als bei den konventionellen Hochdruckentladungslampen. Insbesondere beträgt der Lichtstrom bei den erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen nach einer Betriebsdauer von 600 Stunden noch ca. 95 Prozent des anfänglichen Lichtstroms, während bei den konventionellen Hochdruckentladungslampen der Lichtstrom nach 600 Betriebsstunden schon auf einen Wert unterhalb von 90 Prozent des anfänglichen Lichtstroms gefallen ist.
III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen Näher erläutert. Es zeigen:
1 Ein Vergleich der Abhängigkeit Lichtstrommaintenance von der Betriebsdauer der Lampe für erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampen und konventionelle Hochdruckentladungslampen
2 Eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe
Bei dem in 2 schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe handelt es sich um eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 35 Watt. Diese Lampe ist für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen.

Sie besitzt ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 10 aus Quarzglas mit einem Volumen von 24,5 mm³, in dem eine ionisierbare Füllung gasdicht eingeschlossen ist. Im Bereich des Entladungsraumes 106 ist die Innenkontur des Entladungsgefäßes 10 kreiszylindrisch und seine Außenkontur ellipsoidförmig ausgebildet. Der Innendurchmesser des Entladungsraumes 106 beträgt 2,6 mm und sein Außendurchmesser beträgt 6,5 mm. Die beiden Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 sind jeweils mittels einer Molybdänfolien-Einschmelzung 103, 104 abgedichtet. Die Molybdänfolien 103, 104 besitzen jeweils eine Länge von 6,5 mm, eine Breite von 2 mm und eine Dicke von 25 μm. Im Innenraum des Entladungsgefäßes 10 befinden sich zwei stiftartige Elektroden 11, 12, zwischen denen sich während des Lampenbetriebes der für die Lichtemission verantwortliche Entladungsbogen ausbildet. Die Elektroden 11, 12 bestehen aus thoriertem Wolfram, das heißt, aus Wolfram, das mit Thoriumdioxid (ThO₂) dotiert ist. Die Zusatzstoffe und Verunreinigungen in den Wolframelektroden 11, 12 sind in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 für zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben. Die Dicke bzw. der Durchmesser der Elektroden 11, 12 beträgt 0,33 mm. Die Länge der Elektroden 11, 12 beträgt jeweils 7,5 mm. Der Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 beträgt 4,1 mm. Die Elektroden 11, 12 sind jeweils über eine der Molybdänfolien-Einschmelzungen 103, 104 und über die sockelferne Stromzuführung 13 und die Stromrückführung 17 bzw. über die sockelseitige Stromzuführung 14 elektrisch leitend mit einem elektrischen Anschluss des im wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Lampensockels 15 verbunden. Der Überlapp zwischen der Elektrode 11 und der mit ihr verbundenen Molybdänfolie 103 beträgt 1,3 mm ± 0,15 mm. Tabelle 1: Zusammenstellung der Zusatzstoffe und Verunreinigungen in den Wolframelektroden gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung

Thoriumdioxid	0,4 Gewichtsprozent
Kalium	0,006 Gewichtsprozent
Aluminium	≤ 0,0001 Gewichtsprozent
Chrom	≤ 0,0005 Gewichtsprozent
Eisen	≤ 0,0006 Gewichtsprozent
Molybdän	≤ 0,0005 Gewichtsprozent
Nickel	≤ 0,0005 Gewichtsprozent
Silizium	≤ 0,0002 Gewichtsprozent
Vanadium	≤ 0,0008 Gewichtsprozent

Die Gewichtsanteile der Zusatzstoffe und Verunreinigungen wurden mit Hilfe der so genannten GDMS-Analytik bestimmt. Die Abkürzung GDMS steht für Glow Discharge Mass Spectrometry. Tabelle 2: Zusammenstellung der Zusatzstoffe und Verunreinigungen in den Wolframelektroden gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung

Thoriumdioxid	0,4 Gewichtsprozent
Kalium	0,007 Gewichtsprozent
Aluminium	≤ 0,0001 Gewichtsprozent
Chrom	≤ 0,0005 Gewichtsprozent
Eisen	≤ 0,0006 Gewichtsprozent
Molybdän	≤ 0,0005 Gewichtsprozent
Nickel	≤ 0,0005 Gewichtsprozent
Silizium	≤ 0,0002 Gewichtsprozent
Vanadium	≤ 0,0008 Gewichtsprozent

Die Gewichtsanteile der Zusatzstoffe und Verunreinigungen wurden mit Hilfe der so genannten GDMS-Analytik bestimmt. Die Abkürzung GDMS steht für Glow Discharge Mass Spectrometry.
Der geringste Abstand der Molybdänfolie 103 zu dem in den Innenraum des Entladungsgefäßes 10 hineinragenden Ende der Elektrode 11 beträgt 6,2 mm ± 0,15 mm. Das heißt, der Abstand der Molybdänfolie 103 zu dem sich während des Lampenbetriebs in dem Entladungsgefäß 10 ausbildenden Entladungsbogen beträgt 6,2 mm ± 0,15 mm. Eine analoge Aussage gilt auch für die Molybdänfolie 104 und die Elektrode 12. Details hierzu sind in der WO 2005/112074 offenbart. 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 sockelseitig eine rohrartige Verlängerung 105 aus Quarzglas auf, in der die sockelseitige Stromzuführung 14 verläuft.
Der der Stromrückführung 17 zugewandte Oberflächenbereich des Entladungsgefäßes 10 ist mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Beschichtung 107 versehen. Diese Beschichtung 107 erstreckt sich in Längsrichtung der Lampe über die gesamte Länge des Entladungsraumes 106 und über einen Teil, ca. 50 Prozent, der Länge der abgedichteten Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10. Die Beschichtung 107 ist auf der Außenseite des Entladungsgefäßes 10 angebracht und erstreckt sich über ca. 5 Prozent bis 10 Prozent des Umfangs des Entladungsgefäßes 10. Die Beschichtung 107 kann sich aber auch über 50 Prozent des Umfangs des Entladungsgefäßes 10 oder sogar über mehr als 50 Prozent des Umfangs des Entladungsgefäßes 10 erstrecken. Eine derartig breite Ausführung der Beschichtung 107 hat den Vorteil, dass sie die Effizienz der Hochdruckentladungslampe steigert, da sie einen Teil der von der Entladung erzeugten Infrarotstrahlung in das Entladungsgefäß zurückreflektiert und dadurch für eine selektive Erwärmung der kälteren, während des Lampenbetriebs unterhalb der Elektroden liegenden Bereiche des Entladungsgefäßes 10 sorgt, in denen sich die Metallhalogenide der ionisierbaren Füllung sammeln. Die Beschichtung 107 besteht aus dotiertem Zinnoxid, beispielsweise aus mit Fluor oder Antimon dotiertem Zinnoxid oder beispielsweise aus mit Bor und beziehungsweise oder Lithium dotiertem Zinnoxid. Diese Hochdruckentladungslampe wird in horizontaler Lage betrieben, das heißt, mit in einer horizontalen Ebene angeordneten Elektroden 11, 12, wobei die Lampe derart ausgerichtet ist, dass die Stromrückführung 17 unterhalb des Entladungsgefäßes 30 und des Außenkolbens 16 verläuft. Details dieser, als Zündhilfe wirkenden Beschichtung 107 sind in der EP 1 632 985 A1 beschrieben. Der Außenkolben 16 besteht aus Quarzglas, das mit Ultraviolettstrahlen absorbierenden Stoffen dotiert ist, wie zum Beispiel Ceroxid und Titanoxid. Geeignete Glaszusammensetzungen für das Außenkolbenglas sind in der EP 0 700 579 B1 offenbart.
Die in dem Entladungsgefäß eingeschlossene ionisierbare Füllung enthält Xenon mit einem Kaltfülldruck, das heißt einem bei einer Raumtemperatur von 22°C gemessenen Fülldruck, von 1,6 Megapascal, 0,23 mg Natriumjodid, 0,165 mg Scandiumjodid, 0,05 mg Zinkjodid und 0,001 mg Indiumjodid. Die Brennspannung der Lampe beträgt ca. 43 Volt. Ihre Farbtemperatur liegt geringfügig oberhalb von 4000 Kelvin. Rechnet man die Jodidkomponenten der Füllung auf 1 mm³ des Entladungsgefäßvolumens um, so ergeben sich folgende Werte in Mikrogramm (μg) pro Kubikmillimeter (mm³):

Natriumjodid: 9,4 μg/mm³

Scandiumjodid: 6,7 μg/mm³

Zinkjodid: 2,0 μg/mm³

Indiumjodid: 0,041 μg/mm³
Der Farbwiedergabeindex der Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe beträgt 65 und ihre Lichtausbeute beträgt 90 lm/W. Die Wandbelastung beträgt ca. 80 W/cm².
Die erfindungsgemäße Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe wird unmittelbar nach der Zündung der Gasentladung im Entladungsgefäß mit dem drei- bis fünffachen ihrer Nennleistung bzw. ihres Nennstroms betrieben, um ein schnelles Verdampfen der Metallhalogenide in der ionisierbaren Füllung zu gewährleisten. Unmittelbar nach dem Zünden der Gasentladung wird diese fast ausschließlich vom Xenon getragen, da nur das Xenon zu diesem Zeitpunkt gasförmig im Entladungsgefäß vorliegt. Die Hochdruckentladungslampe arbeitet zu diesem Zeitpunkt und während der so genannten Anlaufphase, während der die Metallhalogenide der ionisierbaren Füllung in die Dampfphase übergehen, daher wie eine Xenon-Höchstdruckentladungslampe, bei der sowohl die Lichtemission als auch die elektrische Eigenschaften der Entladung, insbesondere der Spannungsabfall über der Entladungsstrecke, allein vom Xenon bestimmt werden. Erst wenn die oben genannten Jodide der ionisierbaren Füllung verdampft sind und diese an der Entladung teilnehmen, ist ein quasistationärer Betriebszustand der Lampe erreicht, in dem die Lampe mit ihrer Nennleistung von 35 Watt und einer Brennspannung von 43 Volt betrieben wird. Der Begriff Brennspannung bezeichnet demzufolge die Betriebsspannung der Hochdruckentladungslampe im quasistationären Betrieb.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbeispiel. Die Elektroden 11, 12 können beispielsweise auch in Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen mit quecksilberhaltiger Füllung eingesetzt werden, die als Füllung Xenon, Natriumjodid und Scandiumjodid sowie Quecksilber enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0299230 A1 [0002]
- US 6809478 B2 [0003]
- WO 2005/112074 [0018]
- EP 1632985 A1 [0019]
- EP 0700579 B1 [0019]

Claims

Wolframelektrode für Hochdruckentladungslampen, die Thoriumoxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil von Thoriumoxid in dem Material der Wolframelektrode (11, 12) im Bereich von 0,3 Gewichtsprozent bis 0,5 Gewichtsprozent liegt und die Wolframelektrode (11, 12) zusätzlich Kalium enthält, wobei der Gewichtsanteil von Kalium in dem Material der Wolframelektrode (11, 12) im Bereich von 0,003 Gewichtsprozent bis 0,009 Gewichtsprozent liegt.
Wolframelektrode nach Anspruch 1, wobei der Gewichtsanteil aller Dotierstoffe, Zusätze und Verunreinigungen in dem Material der Wolframelektrode (11, 12) kleiner oder gleich 1,0 Gewichtsprozent ist.
Wolframelektrode nach Anspruch 2, wobei der Gewichtsanteil von Aluminium in dem Material der Wolframelektrode (11, 12) kleiner oder gleich 0,0001 Gewichtsprozent ist.
Wolframelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrode (11, 12) als Stift oder Draht ausgebildet ist.
Hochdruckentladungslampe mit mindestens einer Wolframelektrode (11, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, wobei die im Entladungsgefäß (10) der Hochdruckentladungslampe eingeschlossene Füllung Halogenide der Metalle Natrium und Scandium umfasst.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, wobei die Füllung der Hochdruckentladungslampe quecksilberfrei ausgebildet ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 7, wobei die Füllung der Hochdruckentladungslampe Halogenide der Metalle Zink oder beziehungsweise und Indium umfasst.