DE102009055123A1

DE102009055123A1 - Keramische Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102009055123A1
Application number: DE102009055123A
Authority: DE
Inventors: Andreas 85579 Kloss; Philip Clissold 85521 Howell; Khanh 85579 Pham Gia; Steffen 85667 Walter
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30
Also published as: CN102668018B; JP5645965B2; WO2011085839A2; US20120262051A1; JP2013515337A; EP2489062A2; WO2011085839A3; US8581493B2; CN102668018A

Abstract

Die keramische Elektrode hat einen Schaft und einen Kopf, wobei zumindest ein Teil des Kopfes aus keramischem Material gefertigt ist, insbesondere LaB6 oder Carbiden des HF und/oder Tantal.

Description

Die Erfindung geht aus von einer keramischen Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der JP-OS 1 086 439 ist eine Elektrode aus LaB₆ bekannt.
Aus der JP-OS 63-019750 ist eine mit LaB₆ beschichtete Elektrode bekannt.
Sinterelektroden als solche auf Basis von Metallen sind aus US 6 218 025 vorbekannt.
Aus der US 6 232718 und EP 1265 264 sind keramische Elektroden vorbekannt, die nitridisches oder oxidisches Material verwenden.
Aus der PCT/EP 2009/064961 ist eine keramische Elektrode bekannt, die als Schicht gestaltet ist und aus LaB₆ oder CeB₆ gestaltet ist. Eine derartige Schicht-Elektrode wird mittels LTTC hergestellt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine keramische Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die eine niedrige Elektronenaustrittsarbeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße neuartige keramische Elektrode ist eine Elektrode, die einen Schaft und einen darauf befestigten Kopf aufweist. Insbesondere ist der Kopf zylindrisch o. ä gestaltet.
Der kopf ist dabei entweder vollständig oder in seiner äußeren Schicht aus Borid gestaltet. Insbesondere eignet sich das an sich bekannte LaB₆ oder Boride des Ce, Y, Yb. Zwar sind derartige Materialien im Lampenbau bekannt, jedoch meist als elektronenemissive Schicht. Bisher wurde nie die Möglichkeit einer Bildung eines massiven Körpers daraus in Betracht gezogen.
Als Beschichtung aus keramischen Material eignet sich als Herstellprozess der an sich bekannte Sol-Gel-Prozess.

Boride des La, Ce, Y, Yb haben relativ hohe Schmelzpunkte, wie es für eine Elektrode wichtig ist. Er liegt im Bereich von 2500 bis 2600°C. Gleichzeitig ist die Elektronenaustrittsarbeit relativ niedrig, siehe Tab. 1. Tab. 1

Material	Chem. Formel	Schmelzpunkt	Austrittsarbeit
Lanthanborid	LaB₆	2500–2600°C	2,14 eV
Yttriumborid	YB6	2600°C	2,22 eV
Cerborid	CeB6	2550°C	2,60 eV
Ytterbiumborid	YbB6	2550°C	3,13 eV

Diese Materialien können als keramisches Vollmaterial oder keramische Schicht für den Kopf verwendet werden.

Als Beschichtung eignen sich auch andere Materialien, die in Tab. 2 aufgeführt sind. Tab. 2

Material	Chem. Formel	Schmelzpunkt	Austrittsarbeit
Tantalcarbid	TaC	3800	4,36 eV
Hafniumcarbid	HfC	3890°C	3,69 eV
Ta-Hf-Carbid	(Ta0,9Hf0,1)C	> 4000°C	2,54 eV
Ta-Hf-Carbid	(Ta0,8Hf0,2)C	> 4000°C	2,90 eV

Es handelt sich dabei um Carbide des Ta und/oder Hf, wobei die besten Ergebnisse mit einer Mischung aus beiden Carbiden erzielt werden, wobei der Anteil des Hf im Bereich von 10 bis 20 Mol.-% liegen sollte, da hier einerseits die niedrigste Austrittsarbeit und andererseits der höchst Schmelzpunkt erreicht wird.
Typische Schichtdicken für derartige keramische Schichten liegen im Bereich von 1 bis 100 μm.
Insbesondere können auch mehrere Schichten aus verschiedenen Materialien verwendet, wobei insbesondere das Material mit der niedrigen Austrittsarbeit an der Oberfläche liegen sollte.
Nach dem Stand der Technik werden keramische Hohlkörper, meist aus Al2O3 (PCA), für das Entladungsgefäß einer Hochdruckentladungslampe verwendet. Sie werden meist durch Niederdruck-Einspritzen in eine entsprechende Form hergestellt. Zwei so gefertigte Halbschalen, an denen Kapillaren angesetzt sind, werden grün miteinander verschweißt und dann gasdicht versintert. Die Elektrodensysteme werden mittels Glaslot in die Kapillaren eingeschmolzen, nachdem eine meist Metallhalogenide enthaltende Füllung eingebracht wurde.
Üblicherweise werden die Elektroden-Köpfe aus Metall gefertigt, das einen möglichst hohen Schmelzpunkt aufweist. Geeignet sind Wolfram, das eine Elektronenaustrittsarbeit von 4,54 eV besitzt. Die Temperatur an der Elektrodenspitze erreicht im Betrieb ca. 3100 K.
Typisch ist das Entladungsgefäß mit Elektroden behaftet ist. Es können eine oder zwei Elektroden verwendet werden. Dabei können diese mit einer vollflächigen Schicht am Kopfgestaltet sein, die bevorzugt aus LaB6 besteht.
Bevorzugt hat der Kopf der Elektrode eine im wesentlichen abgerundete oder spitz zulaufende Gestalt.

In Tab. 3 sind wichtige Kenngrößen vorbekannter und erfindungsgemäßer Ausführungen von Elektroden beispielsweise anhand von Wolfram und LaB₆ miteinander verglichen.

Material	Wolfram	LaB₆
Schmelztemperatur	3410°C	2500–2600°C
Austrittsarbeit	4,54 eV	2,14 eV
Wärmeleitfähigkeit	170 W/mK	47 W/mK
thermischer Ausdehnungskoeffizient	4,7 × 10^–6/K	6,2 × 10^–6/K

Die um etwa 2 eV niedrigere Austrittsarbeit von LaB₆ gegenüber Wolfram führt zu einer experimentell bestimmten Temperaturerniedrigung an der Spitze der Elektrode um etwa 1300 K gegenüber Wolfram, bei dem er typische Wert 3100 K beträgt.
Dies führt zu vergleichbaren Abdampfraten wie bei Wolfram, aber aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit und der niedrigeren Betriebstemperatur zu deutlich geringeren thermischen Verlusten, was gleichbedeutend mit höherer Effizienz ist. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Energieeintrag, insbesondere durch Abwärme, in die Durchführung reduziert ist.
Durch die niedrigere Arbeitstemperatur oder Betriebstemperatur und dem Umstand, dass LaB₆ einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Wolfram hat, der erheblich näher an dem von Al2O3 liegt (PCA hat 8,3 10–6/K) ergibt sich die Möglichkeit für eine deutlich kürzere Baulänge der Lampen, weil die Kapillare in ihrer Länge reduziert werden kann. Ein weiterer damit verbundener positiver Effekt resultiert in einem verringerten Totraumvolumen.
Dies wiederum führt zu geringerer Farbstreuung und höherer Lebensdauer.
Hinzu kommt, dass ein Material wie LaB₆ korrosionsbeständig gegen Seltenerd-Jodide als Bestandteil der Füllung ist. Dadurch wird die Lebensdauer weiter erhöht.
Insgesamt ergeben sich also Vorteil durch die niedrigere Betriebstemperatur, verringerte thermische Verluste, höhere Effizienz, Einsparung von elektrischer Energie, geringe Farbstreuung, höhere Zuverlässigkeit, hohe Beständigkeit gegen Korrosion.
Insbesondere kann eine Füllung verwendet werden, die frei von Quecksilber ist.
Ein konkretes Verfahren zum Anbringen einer Beschichtung ist das an sich bekannte Sol-Gel-Verfahren. Mit der Herstellung von Carbiden des Ta und/oder Hf sind dünne Beschichtungen von an sich hochwärmebeständigen Grundkörpern aus Metallen wie Wolfram möglich. Dabei können die beispielsweise die Grundkörper aus Wolfram etc. in Lösungen von Precursoren, die dann zur Bildung der Carbide führen, getaucht werden. Die Lösung, die schließlich nach Umwandlung des Precursors beispielsweise (Ta,Hf)C enthält, kann dann nach Verlassen des Tauchbads an dem Kopf gelieren und ggf. unter Zufuhr von Wärme aushärten. In diesem letzten Schritt werden die Elektrodenköpfe in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 1800 und 2100°C pyrolisiert und die Beschichtung dauerhaft an den Grundkörper gebunden.
Des weiteren können von derartigen Beschichtungsmaterialien auch keramische Vollkörper als Alternative hergestellt werden. Es können auch Fasern gezogen werden, die dann zu Keramik weiterverarbeitet werden.
Dies bietet viele Möglichkeiten für die Gestaltung der Geometrie der Elektroden.
Damit steht ein kostengünstiger Beschichtungsprozess zur Verfügung. Dieser ist ohne Aufwand in die vorhandene Fertigungslinie integrierbar.
Die Anwendung eines Sol-Gel-Prozesses erlaubt eine weite Variabilität in der Schichtdicke von wenigen nm bis einigen -zig μm. Außerdem ist damit sogar die Herstellung keramischer Vollkörper möglich. Insbesondere ist auch die Herstellung von Fasern aus einem Material wie (Ta0,9Hf0,1)C möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 ein Entladungsgefäß mit zwei Elektroden;
2 eine Elektrode mit keramischem Kopf;
3 eine Elektrode als Vollkörper;
4 eine Elektrode mit Beschichtung in abgerundeter Form;
5 und 6 eine Elektrode mit Beschichtung in spitz zulaufender Form.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt ein keramisches Entladungsgefäß 1 mit einem zylindrischen Mittelteil 2 und zwei Kapillaren 3. Im Hohlraum 4 des Mittelteils ist eine Füllung mit Metallhalogeniden eingebracht.
In der Kapillare 3 ist jeweils ein Elektrodensystem 5 mittels Glaslot abgedichtet. Das Elektrodensystem 5 weist eine äußere Stromzuführung 6, eine Durchführung 7 und eine Elektrode 8 auf. Die Elektrode hat einen Schaft 9 und einen Kopf 10.
2 zeigt eine Elektrode 8 im Detail. Sie hat einen Schaft 9 aus Wolfram, auf dem ein zylindrischer Kopf 10 aus LaB₆ sitzt. Der Kopf ist aus Keramik.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrode 8. Hier ist der Kopf 10 aus einem Grundkörper 11 aus Wolfram aufgebaut, der außen von einer keramischen Schicht 12 aus YB₆ umgeben ist. Alternativ wird hier insbesondere Ta_0,9Hf_0,1C verwendet.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die ganze Elektrode 8, Kopf 9 und Schaft 10, aus einem keramischen Material, nämlich TaC, gefertigt ist.
5 zeigt eine Elektrode 8, bei der der Kopf 10 aus Grundkörper 11 und äußerer Schicht 12 besteht. Der Grundkörper 11 ist zylindrisch und hat eine abgerundete Spitze 15. Der Kopf ist entladungsseitig mit einer Schicht 12 aus CeB₆ bedeckt.
6 zeigt eine Elektrode 8, bei der Kopf 10 kegelförmig zur Spitze hin zuläuft. Der Grundkörper 11 ist aus Wolfram. Auf der Schräge des Kegels ist eine Schicht 12 aus YbB₆ aufgebracht.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

1. Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, die aus Schaft und darauf aufgesetztem Kopf besteht, wobei zumindest ein Bereich des Kopfes aus keramischem Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ein Borid oder Carbid ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht auf einem Grundkörper aus Metall angeordnet ist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus mindestens einem der Boride des La, Y, Yb oder Ce oder mindestens einem der Carbide des Ta oder Hf besteht.
4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf vollständig aus keramischem Material gefertigt ist.
5. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht gemäß Sol-Gel-Technik hergestellt ist.
6. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Schaft aus keramischem Material gefertigt ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 1086439 [0002]
US 6218025 [0004]
US 6232718 [0005]
EP 1265264 [0005]
EP 2009/064961 [0006]

Claims

Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, die aus Schaft und darauf aufgesetztem Kopf besteht, wobei zumindest ein Bereich des Kopfes aus keramischem Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ein Borid oder Carbid ist.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht auf einem Grundkörper aus Metall angeordnet ist.
Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus mindestens einem der Boride des La, Y, Yb oder Ce oder mindestens einem der Carbide des Ta oder Hf besteht.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf vollständig aus keramischem Material gefertigt ist.
Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht gemäß Sol-Gel-Technik hergestellt ist.
Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Schaft aus keramischem Material gefertigt ist.