DE102013215056A1

DE102013215056A1 - Niederdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß und Elektrode

Info

Publication number: DE102013215056A1
Application number: DE102013215056.3A
Authority: DE
Inventors: Viktor Malik; Klaus Pankratz; Achim Hilscher; Klaus Mutzbauer; Zdenek Misurek; Pavel Knoll; Ales Vojkuvka
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Niederdruckentladungslampe mit einer Molybdän-Elektrode.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß und einer Elektrode.
Stand der Technik
Bei Niederdruckentladungslampen, deren häufigster Typ auch als Leuchtstofflampen bezeichnet wird, wird in der Regel eine Gasfüllung mit einer üblicherweise kleinen Menge Quecksilber in einem Entladungsgefäß vorgesehen. Das Quecksilber liegt unter Betriebsbedingungen in der Gasphase vor, und die Gasfüllung kann beispielsweise über zwei jeweils endseitig eines länglichen Entladungsgefäßes vorgesehene Elektroden ionisiert werden; das infolge inelastischer Stöße der Quecksilberatome vorrangig im Ultravioletten erzeugte Licht kann beispielsweise durch einen innenseitig am Entladungsgefäß vorgesehenen Leuchtstoff in sichtbares Licht umgewandelt oder (ohne Leuchtstoff) auch direkt genutzt werden.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Niederdruckentladungslampe anzugeben.
Erfindungsgemäß löst dieses Problem eine Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum, in welchem eine Gasfüllung (mit üblicherweise Quecksilber) enthalten ist, begrenzt, und mit einer in dem Entladungsraum angeordneten, von außerhalb des Entladungsgefäßes elektrisch kontaktierbaren Elektrode, wobei die Niederdruckentladungslampe dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektrode ein Elektroden-Material aufweist, das zu mindestens 60 Gew.-% aus Molybdän besteht.
Erfindungsgemäß kann das Elektroden-Material zu in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-% , 80 Gew.-%, 90 Gew.-% beziehungsweise 95 Gew.-% aus Molybdän bestehen; vorzugsweise kann das Elektroden-Material aus reinem Molybdän bestehen.
Neben dem Elektroden-Material, das Molybdän enthält und das üblicherweise den Kern der Elektrode bildet, kann die Elektrode auch ein anderes Material, insbesondere ein nachstehend im Detail erläutertes Emittermaterial, zusätzlich aufweisen. Das Emittermaterial kann beispielsweise als Ummantelung eines Elektrodenkerns vorgesehen sein.
Soweit im Rahmen dieser Offenbarung von einer „Molybdän- Elektrode” gesprochen wird, meint dies im allgemeinen eine Elektrode, welche das Elektroden-Material aufweist, welches zu in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-% , 80 Gew.-%, 90 Gew.-% beziehungsweise 95 Gew.-% aus Molybdän, und vorzugsweise aus reinem Molybdän besteht. Eine Molybdän-Elektrode kann bevorzugt einen Elektrodenkern aus Elektroden-Material aufweisen, der mit einem Emittermaterial beschichtet ist.
Die vorstehenden Gew.-%-Angaben des Molybdän-Gehalts beziehen sich im Falle einer Emittermaterial aufweisenden Elektrode nicht auf das Gesamtgewicht der Elektrode mit Emittermaterial und ggf. weiteren Bestandteilen, sondern nur auf das Elektroden-Material.
Eine „Niederdruckentladungslampe” wird üblicherweise bei einem Druck von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 100 mbar, 70 mbar, 50 mbar, 30 mbar beziehungsweise 10 mbar betrieben; übliche Mindestdruckwerte können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt 0,1 mbar, 0,5 mbar, 1 mbar, 1,5 mbar, 2 mbar liegen. Eine Niederdruckentladungslampe kann sich zum Beispiel auch dadurch auszeichnen, dass die Elektroden so heiß sind (und damit die Elektronenaustrittsarbeit so niedrig ist), dass Elektronen thermisch emittiert werden.
Die Entladungsform wird auch als Bogenentladung bezeichnet; diese kann beispielsweise durch eine negative Strom- Spannungs-Charakteristik gekennzeichnet sein, sodass die Spannung bei einem Strom von einigen zehn Milli-Ampere bis zu einigen Ampere von um die Tausend Volt auf einige Volt abfällt.
Die erfindungsgemäße Molybdän-Elektrode kann im Vergleich zu einer konventionellen Wolfram-Elektrode etwa schon insoweit Vorteile bieten, als die Herstellung einer Elektrode üblicherweise in mehreren Umformschritten erfolgen kann; um beispielsweise bei einer Kaltumformung entstehende intrinsische mechanische Spannungen abzubauen, und so einer Verformung der Elektrode vorzubeugen, wird diese nach einem Umformen in der Regel bei einer Erholungstemperatur wärmegelagert.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Wärmebehandlung von Elektroden-Material mit Molybdän im Vergleich zu Wolfram bei einer niedrigeren Temperatur erfolgen und so gleichwohl einer Verformung vorgebeugt werden kann, was den für die Herstellung der Niederdruckentladungslampe (im Folgenden auch nur „Lampe”) notwendigen Energiebedarf verringern helfen kann. (Selbstverständlich ist der Gegenstand im Allgemeinen nicht auf eine Wärmebehandlung bei im Vergleich zu Wolfram niedrigerer Temperatur beschränkt, sondern ist dies eben ein möglicher Vorteil.)
„Von außerhalb des Entladungsgefäßes elektrisch kontaktierbar” meint, dass eine Stromdurchführung eine Wand des Entladungsgefäßes durchsetzt. Im Allgemeinen kann die Stromdurchführung auch monolithisch mit der Elektrode, die zur Ladungsträgeremission vorgesehen ist, ausgebildet sein; vorzugsweise sind die Stromdurchführung und die Elektrode zweiteilig und werden elektrisch leitend miteinander verbunden. Je Elektrode sind üblicherweise zwei Stromdurchführungen vorgesehen und je Lampe zwei Elektroden.
Die Stromdurchführung selbst kann beispielsweise auch mehrteilig sein, etwa im Falle eines sogenannten Tellergestells dreiteilig. Ein erster, außerhalb des Entladungsgefäßes angeordneter Abschnitt kann beispielsweise aus Kupfer vorgesehen sein, etwa aus einem Kupfer-Draht; Kupfer hat eine vergleichsweise gute elektrische Leitfähigkeit. Ein an den ersten Abschnitt anschließender, das Entladungsgefäß durchsetzender Abschnitt kann beispielsweise aus vernickeltem Eisen-Kupfer-Draht oder vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung vorgesehen sein, welche sich durch einen dem für das Entladungsgefäß bevorzugten Glasmaterial angenäherten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auszeichnen kann; so lassen sich die in die Entladungsgefäßwand eingebrachten mechanischen Spannungen verringern. Ein dritter, innerhalb des Entladungsgefäßes vorgesehener und die Elektrode tragender Abschnitt kann beispielsweise aus einer Nickel-Legierung vorgesehen werden; so kann beispielsweise eine gute elektrische Leitfähigkeit erreicht und die Bildung von Amalgam im Entladungsgefäß vermieden werden.
Die Stromdurchführung kann andererseits jedoch selbstverständlich auch einteilig ausgebildet sein, etwa aus der eben genannten Eisen-Nickel-Chrom-Legierung (die unter dem Handelsnamen „Dilaton” erhältlich ist). Dies findet insbesondere bei einseitig gesockelten Lampen mit einem eingequetschten Perlengestell Anwendung, vergleiche die Erläuterung im Rahmen der Ausführungsbeispiele.
Die Elektrode vermittelt den Übergang eines außerhalb des Entladungsgefäßes angelegten elektrischen Stroms in die Gasfüllung, und die Lichterzeugung wird unter anderem durch den Austritt der Elektronen an der Elektrode bestimmt. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Niederdruckentladungslampen werden seit jeher Wolfram- Elektroden eingesetzt, weil deren Herstellung und auch Emissionseigenschaften gut beherrscht sind, insbesondere auch im Zusammenwirken mit einem als Beschichtung der Wolfram-Elektrode vorgesehenen Emittermaterial.
Die Erfinder haben nun festgestellt, dass auch mit Molybdän-Elektroden versehene Lampen in Versuchen eine vergleichsweise lange Lebensdauer erreichen können. Dies ist insoweit überraschend, als die Lebensdauer auch maßgeblich von den Emissionseigenschaften der Elektrode abhängen kann, insbesondere von dem Zusammenwirken des Elektrodenkern-Materials (bislang Wolfram) mit einem darauf vorgesehenen, die Austrittsarbeit verringernden Emittermaterial (Elektrodenkern und Emitter-Material bilden dann die „Elektrode”).
In bevorzugter Ausgestaltung ist als Emittermaterial ein Erdalkalimetall vorgesehen, und zwar vorzugsweise Barium, besonders bevorzugt in Form von Bariumoxid. Das Bariumoxid kann im Betrieb der Elektrode mit dem Elektroden-Material reagieren, wobei als Produkt auch elementares Barium entsteht: Mo + 6 BaO → 3 Ba₃MoO₆ + 3 Ba (Glg. 1).
Das Barium verringert die Austrittsarbeit, beispielsweise von circa 4,5 eV (im Falle einer Molybdän-Elektrode ohne Emittermaterial) auf weniger als 3,5 eV, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt weniger als 3,25 eV, 3,0 eV, 2,75 eV, 2,5 eV, 2,25 eV beziehungsweise 2 eV.
Aufgrund der verringerten Austrittsarbeit kann die Molybdän-Elektrode (wie bei einer Niederdruckentladungslampe üblich) bei einer entsprechend verringerten Temperatur betrieben werden, beispielsweise bei einer Temperatur von nicht mehr als 2000 °C, 1900 °C, 1800 °C beziehungsweise 1700 °C; mögliche Mindesttemperaturen liegen zum Beispiel bei 700 °C, 800 °C, 900 °C beziehungsweise 1000 °C. Vorzugsweise ist die Elektrode (und auch die Lampe) so ausgelegt, dass ein Betrieb in diesem Temperaturregime möglich ist, und zwar idealerweise für in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 8000 Stunden, 15000 Stunden, 20000 Stunden, 25000 Stunden, 30000 Stunden, 35000 Stunden, beziehungsweise 40000 Stunden; mögliche Obergrenzen liegen beispielsweise bei 70000 Stunden beziehungsweise 60000 Stunden.
Die Temperaturen sind andererseits gleichwohl noch so hoch, dass während des Betriebs fortdauernd Emittermaterial abdampfen oder beispielsweise auch durch Sputter- Effekte abgetragen werden kann – dies kann die Lebensdauer der Niederdruckentladungslampe mitbestimmen. Mit entscheidend für die Lebensdauer kann deshalb beispielsweise auch sein, dass die vorstehend genannte Reaktion, bei welcher das Bariumoxid in Reaktion mit dem Elektroden- Material zu elementarem Barium umgesetzt wird (Glg. 1), auch während des Lampenbetriebs abläuft, also elementares Barium neu nachgeliefert wird.
Die Versuchsergebnisse der Erfinder sind insbesondere auch insoweit überraschend, als die Reaktionsenthalpie der Reaktion zwischen dem Molybdän und dem Bariumoxid im „richtigen” Temperaturbereich liegt; würde diese Reaktion nämlich beispielsweise erst bei einer Temperatur von mehr als 2000 °C mit einer hinreichenden Rate ablaufen, wären aufgrund der erhöhten Temperatur auch die hinsichtlich der Lebensdauer gegenläufigen Vorgänge entsprechend verstärkt. Das Barium könnte beispielsweise in erheblichem Umfang abdampfen beziehungsweise abgetragen werden; im Ergebnis wäre ein Lampenbetrieb wenn überhaupt wohl nur für eine sehr kurze Zeitdauer möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Elektroden-Material der Molybdän-Elektrode als Draht ausgebildet, der weiter bevorzugt eine Wendelform hat, beispielsweise auch eine nachstehend weiter im Detail erläuterte Doppel- oder Triplewendelform. Der Draht besteht zu in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-%, 90 Gew.-% beziehungsweise 95 Gew.-% aus Molybdän; vorzugsweise handelt es sich um reines Molybdän.
Soweit im Rahmen dieser Offenbarung von einem „Molybdän-Draht” gesprochen wird, meint dies im allgemeinen einen Draht aus Elektroden-Material, welches zu in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-%, 90 Gew.-% beziehungsweise 95 Gew.-% aus Molybdän, und vorzugsweise aus reinem Molybdän besteht.
Im allgemeinen kann ein solcher Molybdän-Draht beispielsweise auch ohne Emittermaterial als Elektrode vorgesehen sein, die Elektrode kann also allein aus dem Draht bestehen. Vorzugsweise ist der Draht aus Elektroden-Material, also ein Molybdän-Draht, als Elektrodenkern vorgesehen und mit einem Emittermaterial beschichtet.
Die Erfinder haben festgestellt, dass der Einsatz von Elektroden-Material, das Molybdän beinhaltet, bereits beim Ziehen des für die Wendel vorgesehenen Drahtes Vorteile bieten kann, weil die mechanische Fließspannung von Molybdän üblicherweise geringer als jene von Wolfram ist, also bei geringerem Krafteintrag eine plastische Verformung einsetzt; das Molybdän ist vereinfacht gesprochen weicher, was beispielsweise die Abnutzung eines bei der Drahtherstellung eingesetzten Ziehsteins verringern und damit Herstellungskosten senken helfen kann.
Beim eigentlichen Wickeln der Wendel kann der Molybdän-Draht beispielsweise über eine Führungsdüse zugeführt werden, deren Abnutzung sich aufgrund der im Vergleich guten Verformbarkeit des Molybdäns auch verringern lassen kann. Das Werkzeug muss beispielsweise weniger häufig ersetzt werden.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Lampe wird eine Molybdän-Elektrode in einem Entladungsgefäß vorgesehen, und es sollen ausdrücklich auch sämtliche vorstehend genannten Merkmale in Bezug auf diese Herstellung offenbart sein.
Das vorzugsweise wendelförmig aus Molybdän-Draht vorgesehene Elektroden-Material wird in bevorzugter Ausgestaltung gewickelt, beispielsweise um einen Kern, der anschließend aus der Wendel genommen und für das Wickeln einer nächsten Wendel zur Verfügung stehen kann; selbstverständlich kann auch die Wendel vom Kern abgenommen werden, können Kern und Wendel also in allgemeinen Worten durch eine Relativbewegung auseinandergenommen werden und der Kern für das Wickeln einer nächsten Wendel zur Verfügung stehen.
Während des Umformvorgangs, also beim Wickeln der Wendel, welches üblicherweise bei Raumtemperatur stattfindet, nimmt die Festigkeit des Drahtmaterials prinzipiell zu, weil eine Kaltumformung üblicherweise zu einem Anstieg der Versetzungsdichte führt. Um beispielsweise eine Verformung der Wendel infolge intrinsischer mechanischer Materialspannungen zu vermeiden, wird die Wendel vorzugsweise wärmebehandelt.
Der zu einer Wendel gewickelte Molybdän-Draht wird in bevorzugter Ausgestaltung bei einer Temperatur von mindestens 800 °C, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 850 °C, 900 °C, 950 °C, 1000 °C beziehungsweise 1050 °C, wärmebehandelt; mögliche Obergrenzen der Temperatur der Wärmebehandlung liegen von den eben genannten Untergrenzen unabhängig bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt maximal 1600 °C, 1500 °C, 1400 °C, 1350 °C, 1300 °C, 1250 °C, 1200 °C beziehungsweise 1150 °C. Besonders bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1100 °C.
Die Wärmebehandlung in einem eben genannten Temperaturbereich erfolgt für in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 5 Minuten, 6 Minuten, 7 Minuten, 8 Minuten beziehungsweise 9 Minuten; mögliche, von diesen Untergrenzen unabhängige Obergrenzen liegen bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 25 Minuten, 20 Minuten, 15 Minuten, 12 Minuten beziehungsweise 11 Minuten. Besonders bevorzugt wird für eine Zeitdauer von 10 Minuten wärmebehandelt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Molybdän- Draht um einen Hilfskern aus Metall gewickelt, der anschließend chemisch ausgelöst wird vorzugsweise nach einer vorstehend genannten Wärmebehandlung. Der Hilfskern kann beispielsweise seinerseits ein Draht sein. Aufgrund der im Falle des erfindungsgemäß vorgesehenen Molybdän- Drahts bei vergleichsweise geringen Temperaturen durchführbaren Wärmebehandlung kann beispielsweise auch ein Hilfskern aus Eisen verwendet werden, zum Beispiel ein Eisendraht. Der Molybdän-Draht kann beim Wickeln von einem relativ weicheren Eisen-Hilfskern beispielsweise weniger leicht beschädigt werden als bislang ein Wolfram- Draht von einem Molybdän-Hilfskern, was den Ausschuss verringern und damit Rohstoff und Kosten sparen helfen kann.
Zudem kann ein Eisen-Hilfskern anstelle des vorstehend beschriebenen Auseinandernehmens auch chemisch ausgelöst werden, vorteilhafterweise mit Salzsäure, wobei Eisenchlorid entsteht; dieses lässt sich beispielsweise mit Natronlauge beziehungsweise Kalk neutralisieren, sodass Kochsalz und Eisen verbleiben. Das erfindungsgemäße Vorsehen eines Eisen-Hilfskerns kann also auch hinsichtlich der Umweltverträglichkeit Vorteile bieten – ein Eisen- Hilfskern ließe sich andererseits jedoch nicht zum Wickeln einer Wolfram-Wendel verwenden, weil die Erholungsvorgänge in Wolfram bei Temperaturen stattfinden, die zumindest in der Nähe der Schmelztemperatur von Eisen (~ 1540 °C) liegen. Zum Wickeln eines Wolfram-Drahts wird deshalb üblicherweise ein Molybdän-Hilfskern verwendet, der mit Mischsäure (einer aggressiven Mischung aus Schwefel- und Salzsäure) ausgelöst werden muss, was eine erhebliche Umweltbelastung darstellen kann.
„Reine Salzsäure” meint insoweit nicht mit einer anderen Säure gemischte Salzsäure; die reine Salzsäure kann also im Allgemeinen durchaus mit anderen (nicht sauren) Additiven versetzt sein und in unterschiedlicher Konzentration vorliegen. Bevorzugt ist reine Salzsäure in einer Konzentration von 16 %, insbesondere eine generell von Additiven freie Salzsäure.
Das Vorsehen eines Eisen-Hilfskerns kann auch insoweit vorteilhaft sein, als etwa beim Zuführen eines drahtförmigen, vergleichsweise weichen Eisen-Hilfskerns die mechanische Beanspruchung einer Zuführdüse verringert und dementsprechend deren Abnutzung reduziert sein kann.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Wendel als Doppelwendel ausgebildet, wird der Molybdän-Draht also beispielsweise zunächst zu einer Wendel mit einem ersten Durchmesser d₁ gewickelt; der erste Durchmesser d₁ kann beispielsweise mindestens dem 1,5-, 5- oder 10-fachen des Durchmessers des Molybdän-Drahts entsprechen und (von dieser Untergrenze unabhängig) bei nicht mehr als dem 200-, 100- beziehungsweise 50-fachen davon liegen. Generell liegen bevorzugte Molybdän-Drahtdurchmesser bei mindestens 0,01 mm, 0,03 mm beziehungsweise 0,04 mm und (davon unabhängig) bei höchstens 5 mm, 3 mm beziehungsweise 2 mm.
Der bereits in Form einer Wendel mit dem ersten Durchmesser d₁ vorliegende Molybdän-Draht wird anschließend nochmals gewickelt, die erste Wendel also um einen zweiten Kern gelegt und so die zweite Wendelform mit einem Durchmesser d₂ ausgebildet. Der Durchmesser d₂ der zweiten Wendelform kann beispielsweise mindestens dem 200-, 300-beziehungsweise 400-fachen des Molybdän-Drahtdurchmessers entsprechen; davon unabhängige Obergrenzen liegen beispielsweise bei höchstens dem 2000-, 1750- beziehungsweise 1500-fachen.
Für das Wickeln der kleineren ersten Wendel wird vorzugsweise ein vorstehend beschriebener Eisen-Hilfskern verwendet, der den Durchmesser mitbestimmt und anschließend, vorzugsweise erst nach dem Wickeln der zweiten Wendel, chemisch ausgelöst wird; die zweite, größere Wendel wird vorzugsweise um einen vorstehend beschriebenen Kern gewickelt, der nach einem Auseinandernehmen von Kern und Wendel für das Wickeln einer nächsten Wendel zur Verfügung steht. Die zweite Wendel hat üblicherweise auch erheblich weniger Windungen als die erste Wendel, was das Auseinandernehmen von Wendel und Kern erleichtert.
Nach dem Wickeln der ersten Wendel kann beispielsweise noch kontinuierliches Draht-Material vorliegen, das auch als „Gewendel” bezeichnet wird; es wird dann vorzugsweise nach dem Wickeln der zweiten Wendel vereinzelt, also die zweite Wendel von dem kontinuierlichen Material abgetrennt, und zwar besonders bevorzugt vor dem Herausnehmen des Kerns (der dann für die nächste Wendel zur Verfügung steht).
In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird bei einem mehrfachen Wickeln des Elektroden-Materials auch mehrfach wärmebehandelt, etwa bei zweifachem Wickeln ein erstes Mal nach dem Wickeln der kleineren ersten Wendel bei einer Temperatur von vorzugsweise 1100 °C; die zweite Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise ebenfalls bei 1100 °C, und zwar nach dem Wickeln der zweiten Wendel und vorzugsweise nach dem Auseinandernehmen von Wendel und herausnehmbarem Kern. Die vorstehend für die Wärmebehandlung offenbarten Intervalle sollen ausdrücklich auch in diesem Zusammenhang offenbart sein.
Generell kann ein erfindungsgemäß als Elektroden-Material vorgesehener Molybdän-Draht zusätzlich mit einem Umspinnungsdraht umwickelt sein, der eine gewisse mechanische Verankerung des Emittermaterials ermöglichen kann; etwa beim Aufbringen des Emittermaterials kann zum Beispiel eine Emittermaterial-Suspension zwischen dem Molybdän- und dem Umspinnungsdraht gehalten, gewissermaßen durch Adhäsionskräfte „aufgesaugt” werden. Nach dem Trocknen kann das Emittermaterial von dem Umspinnungsdraht dann wie in einem Gerüst gehalten sein.
Der Umspinnungsdraht hat üblicherweise einen deutlich kleineren Durchmesser als der Molybdän-Draht; der Durchmesser des Umspinnungsdrahts kann beispielsweise bei nicht mehr als 50 %, 25 % beziehungsweise 10 % des Molybdän-Drahtdurchmessers liegen.
Die Umspinnung ist also vorwiegend als mechanische Verstärkung des Emittermaterials vorgesehen, hat aber keine eigene elektrische Funktionalität, weswegen der Regelmäßigkeit der Wendelform des Umspinnungsdrahts weniger Bedeutung zukommt als der Regelmäßigkeit der Wendelform des Molybdän-Drahts. Aus diesem Grund kann beispielsweise auch ein Wolfram-Draht zur Umspinnung vorgesehen werden; die vorstehend genannten Temperaturen (für die Wärmebehandlung der Molybdän-Elektrode) sind zwar zu gering, um etwa beim Umspinnen in den Umspinnungsdraht aus Wolfram eingebrachte mechanische Verspannung abzubauen. Der Umspinnungsdraht selbst muss jedoch einerseits eben nicht sonderlich regelmäßig sein; andererseits kann der Umspinnungsdraht, auch aufgrund seines eher kleinen Durchmessers, auf das Elektroden-Material auch keine wesentlichen Kräfte übertragen, dieses also nicht oder zumindest nicht in erheblichem Umfang verformen.
Eine Doppelwendel, deren Molybdän-Draht vor den beiden vorstehend genannten Wickelschritten mit einem Umspinnungsdraht umsponnen wird, wird als „Triplewendel” bezeichnet. Beim Umspinnen mit Umspinnungsdraht kann beispielsweise auch ein Umspinnungs-Hilfskern aus vorzugsweise Eisen vorgesehen werden, etwa ein sich parallel zum Molybdän-Draht erstreckender, in Erstreckungsrichtung an diesem anliegender Eisendraht. Nach dem Umspinnen liegt der Umspinnungsdraht an dem Molybdän-Draht und dem Umspinnungs-Hilfskern an; nach dem Auslösen des Umspinnungs-Hilfskerns sitzt der Umspinnungsdraht dann dementsprechend ein Stück weit lose auf dem Molybdän-Draht und kann so das Emittermaterial gut in Hinterschneidungen halten.
Das Elektroden-Material kann auch als Dreifachwendel vorgesehen werden, wobei der Molybdän-Draht selbst dreifach gewickelt und vorzugsweise kein zusätzlicher Umspinnungsdraht vorgesehen wird.
Unabhängig von der spezifischen Form der Molybdän- Elektrode wird das in bevorzugter Ausgestaltung als Emittermaterial vorgesehene Bariumoxid vorzugsweise nicht als solches, sondern in einer Vorstufe auf das Elektroden- Material aufgebracht und anschließend bei erhöhter Temperatur zu Bariumoxid reagiert. Das Bariumoxid ist nämlich hygroskopisch und könnte Feuchte in das Entladungsgefäß eintragen; aus diesem Grund wird in bevorzugter Ausgestaltung Bariumcarbonat auf das Elektroden-Material aufgebracht und durch Aufheizen der Elektrode, vorzugsweise durch unmittelbares Aufheizen der Elektrode selbst mittels Strombeaufschlagung, zu Bariumoxid reagiert, und zwar zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig.
Das Aufheizen der Molybdän-Elektrode findet vorzugsweise bei bereits baulich in das Entladungsgefäß integrierter Elektrode statt, und zwar insbesondere unter einer definierten Atmosphäre mit gegenüber Raumluft verringerter Luftfeuchtigkeit, beispielsweise während das Entladungsgefäß mit einem inerten Gas gespült wird, etwa mit Argon, oder in einem vorevakuierten Zustand, zum Beispiel bei einem Druck von ca. 10^–3 mbar. Zum Einen wird die Aufnahme von Feuchtigkeit durch das dann bereits umgesetzte Bariumoxid reduziert; zum Anderen kann während eines Spülvorgangs auch bei der Reaktion freigesetztes Kohlendioxid aus den Entladungsgefäß abgeführt werden.
Das mit dem Bariumcarbonat versehene Elektroden-Material wird für diese Reaktion auf eine Temperatur von mindestens 700 °C, in dieser Reihenfolge zu einem bevorzugten mindestens 750 °C, 800 °C, 850 °C, und (davon unabhängig) höchstens 1000 °C, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 975 °C, 950 °C, 925 °C, aufgeheizt. Die Erfinder haben festgestellt, dass insbesondere die Begrenzung der während des Heizens maximal erreichten Temperatur die Herstellung einer Molybdän-Elektrode mit einer Austrittsarbeit ermöglicht, die gute Lebensdauer-Ergebnisse erwarten lässt.
Die Molybdän-Elektrode wird vorzugsweise derart aufgeheizt, dass die Temperatur für eine Zeitdauer von mindestens 10 Sekunden, weiter bevorzugt mindestens 15 beziehungsweise 20 Sekunden, und von höchstens 90 Sekunden, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 80 Sekunden, 70 Sekunden, 60 Sekunden beziehungsweise 50 Sekunden, in besagtem Bereich erhöhter Temperatur liegt, und zwar in einem vorstehend offenbarten Temperaturintervall.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die erhöhte Temperatur durch Beaufschlagung der Molybdän-Elektrode mit Strom eingestellt, und zwar vorzugsweise mit einer Vielzahl aufeinander folgenden Strompulsen, beispielsweise mindestens 10, 20 beziehungsweise 30 Stromimpulsen und nicht mehr als 100, 80 beziehungsweise 60 Strompulsen.
Die Stromdichte eines Strompulses liegt dabei vorzugsweise bei mindestens 90 A/mm², in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei mindestens 100 A/mm², 110 A/mm² beziehungsweise 120 A/mm² und (davon unabhängig) bei höchstens 220 A/mm², in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei höchstens 210 A/mm², 200 A/mm², 190 A/mm² beziehungsweise 180 A/mm². Besonders bevorzugt wird eine Molybdän-Elektrode mit Doppel- beziehungsweise Triplewendelform mit Strompulsen entsprechender Stromdichte beaufschlagt. Eine für im Betrieb einen Strom von 320 mA ausgelegte Elektrode wird beispielsweise mit einem Strom von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 460 mA, 480 mA beziehungsweise 500 mA und (davon unabhängig) von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 560 mA, 550 mA, 540 mA beziehungsweise 530 mA beaufschlagt.
Generell hat ein Strompuls in bevorzugter Ausgestaltung eine Zeitdauer von mindestens 1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 1,5 Sekunden, und (davon unabhängig) von höchstens 5 Sekunden, vorzugsweise nicht mehr als 4 Sekunden beziehungsweise 3 Sekunden; diese Zeitdauerangaben sollen ausdrücklich auch für das eben in vorherige Absatz genannte Beispiel der 320 mA-Elektrode offenbart sein.
Sofern alternativ zu dem Heizen mit aufeinander folgenden Strompulsen mit einem kontinuierlichen Strompuls geheizt wird, kann dessen Dauer mindestens 30 Sekunden, 40 Sekunde, 50 Sekunden beziehungsweise 60 Sekunden und (davon unabhängig höchstens 300 Sekunden, 250 Sekunden, 200 Sekunden, 150 Sekunden, 130 Sekunden beziehungsweise 120 Sekunden betragen.
In bevorzugter Ausgestaltung wird vor dem Heizen der Molybdän-Elektrode mit dem Aufbringen des Bariumcarbonats zusätzlich Strontiumcarbonat und/oder Calciumcarbonat auf das Elektroden-Material aufgebracht; auch diese Carbonate werden zu den entsprechenden Oxiden umgesetzt, setzen dabei allerdings Energie frei und können so die Umsetzung des Bariumcarbonats befördern.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorstehend beschriebenen Molybdän-Elektrode als Elektrode einer Niederdruckentladungslampe; es sollen sämtliche in Bezug auf die Elektrode und die Lampe offenbarten Merkmale auch in diesem Kontext offenbart sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und hinsichtlich sämtlicher Kategorien offenbart sein sollen.
Im Einzelnen zeigt
1 eine erfindungsgemäß aus Molybdän-Draht vorgesehene Doppelwendel für eine Niederdruckentladungslampe;
2 Detailansichten einer Doppelwendel gemäß 1 und einer Triplewendel;
3 den Verlauf des bei der Herstellung einer Molybdän-Elektrode mit Emittermaterial zu dessen Formierung in die Elektrode eingeprägten Stroms.
1 zeigt eine aus Molybdän-Draht 1 gewickelte Doppelwendel, die mit einem (nicht gezeigten) Emittermaterial versehen ist, also eine Molybdän-Elektrode.
Zur Herstellung der Doppelwendel wird der Molybdän-Draht 1 in einem ersten Schritt um einen Eisendraht gewickelt; der Molybdän-Draht 1 hat einen Durchmesser von 45 μm, der als Hilfskern vorgesehene Eisendraht einen Durchmesser von 120 μm. Die so hergestellte erste Wendel hat einen ersten Durchmesser d₁ von 210 μm.
Die erste Wendel wird dann mit darin vorgesehenem ersten Hilfskern um einen zweiten Kern gewickelt; die zweite Wendel hat einen Durchmesser d₂ von 920 μm. Die Wickelvorgänge finden bei Raumtemperatur statt, der Molybdän- Draht 1 wird also kaltumgeformt; um einer Verformung der Doppelwendel vorzubeugen, wird diese anschließend wärmebehandelt.
Die Doppelwendel wird dazu für eine Zeitdauer von 10 Minuten bei einer Temperatur von 1100°C gehalten, und zwar jedenfalls nach dem Wickeln der zweiten Wendel; idealerweise wird zweimal wärmebehandelt, und zwar zunächst schon nach dem Wickeln der ersten Wendel bei ebenfalls einer Temperatur von 1100 °C. Nach dem Wickeln der zweiten Wendel wird erneut wärmebehandelt.
Nach der Temperaturbehandlung wird der Eisen-Hilfskern ausgelöst, und zwar mit reiner Salzsäure (Konzentration 16 %); das Eisenchlorid wird anschließend mit Natronlauge neutralisiert, sodass Kochsalz und Eisen verbleiben.
Die Figuren zeigen allein die Elektrode der Lampe; in dieser wird die Elektrode von zwei das Entladungsgefäß durchsetzenden Stromdurchführungen gehalten. Die Elektrode ist jeweils endseitig mit jeweils einer Stromdurchführung elektrisch leitend verbunden; am entgegengesetzten Ende, außerhalb des Entladungsgefäßes, werden die Stromdurchführungen in einem an das Entladungsgefäß angesetzten Sockel mit jeweils einem Kontaktelement verbunden, sodass die Elektrode von außerhalb über die Kontaktelemente und die Stromdurchführungen elektrisch kontaktiert werden kann. Üblicherweise werden die Stromdurchführungen in einem Glasteller eingequetscht, der anschließend das Entladungsgefäß endseitig abschließt. Die Gesamtheit aus Glasteller, Stromdurchführung und Elektrode wird auch als „Elektrodengestell” bezeichnet(als sogenanntes „Tellergestell”).
Insbesondere bei einseitig gesockelten Lampen werden alternativ dazu sogenannte „Perlengestelle” verwendet; bei diesen werden die Stromdurchführungen bzw. die Stromdurchführungsdrähte von einer Glasperle in einem vorgegebenen Abstand gehalten, und das Perlengestell wird endseitig in das Entladungsgefäß eingequetscht. Wie bereits eingangs erwähnt, sind in diesem Fall die Stromdurchführungen üblicherweise jeweils einteilig ausgestaltet und aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung vorgesehen.
2 zeigt Detailansichten einer Wendel gemäß 1, die beiden Darstellungen in der linken Hälfte, einmal mit und einmal ohne Emittermaterial; die beiden Darstellungen rechts zeigen auch eine aus Molybdän-Draht 1 gewickelte Doppelwendel, wobei der Molybdän-Draht 1 zusätzlich mit einem dünnen Umspinnungsdraht 21 aus Wolfram umsponnen ist. Der Umspinnungsdraht 21 wird um den Molybdän-Draht 1 gewickelt, und zwar noch vor dem Wickeln der ersten Wen- del. Vor dem Umspinnen wird ein Umspinnungs-Hilfskern sich parallel zum Molybdän-Draht 1 erstreckend in Anlage mit diesem gebracht; bei dem Umspinnungs-Hilfskern handelt es sich um einen Eisendraht, dessen Durchmesser in etwa jenem des Molybdän-Drahts entspricht.
Der Umspinnungsdraht mit einem Durchmesser von 25 μm wird um den Molybdän-Draht 1 und den Umspinnungs-Hilfskern gewickelt; die erste Wendel der „Triplewendel” ist also die Umspinnung des Molybdän-Drahts. Der umsponnene Molybdän- Draht wird anschließend (zusammen mit dem Umspinnungs- Hilfskern) in vorstehend beschriebener Weise zu einer Doppelwendel geformt, also zunächst um einen Eisen- Hilfskern gewickelt und anschließend zusammen mit dem Eisen-Hilfskern um einen weiteren Kern gewickelt, der nicht chemisch ausgelöst, sondern aus der Wendel genommen wird und für das Wickeln einer nächsten Wendel zur Verfügung steht.
Dabei wird ein erstes Mal nach dem Wickeln der ersten Wendel wärmebehandelt (bei 1100 °C), also nach dem ersten Wickeln des zuvor umsponnenen Molybdän-Drahts. Dieses Gewendel ist noch kontinuierlich (es sind noch keine den einzelnen Elektroden zuzuordnenden Abschnitte abgetrennt), und das Gewendel wird zur Wärmebehandlung durch einen Ofen bewegt. Dem Ofen nachgelagert kann mit Schutzgas gespült werden, um eine Oxidationsgefahr zu verringern.
Nach dem Wickeln der zweiten Wendel auf dem weiteren Kern wird diese Wendel von dem übrigen, kontinuierlichen Material abgetrennt; der weitere Kern wird dann wie vorstehend dargestellt aus der Elektrode genommen, beispielsweise zurückgezogen. Die dann abgetrennte Wendel wird anschließend nochmals wärmebehandelt (bei 1100 °C), und zwar für 10 Minuten, wobei der Ofen anschließend aktiv gekühlt wird, sodass nach ca. 10 Minuten wieder Raumtemperatur erreicht ist.
Nach einem chemischen Auslösen des Umspinnungs-Hilfskerns aus Eisen, wobei auch der Eisen-Hilfskern ausgelöst wird, hat der Umspinnungsdraht 21 einen gewissen Abstand zu dem Molybdän-Draht 1 und stellt so einen Raum zur Aufnahme des Emittermaterials 2 zur Verfügung; das Emittermaterial 2 wird von dem Umspinnungsdraht 21 wie in einem Gerüst am Molybdän-Draht 1 gehalten.
Als Emittermaterial 2 ist eine Bariumoxidbeschichtung vorgesehen, auch auf der Doppelwendel in der linken Bildhälfte (links unten); das Bariumoxid kann während des Betriebs der Niederdruckentladungslampe mit dem Molybdän des Elektroden-Materials reagieren, Mo + 6 BaO → 3 Ba₃MoO₆ + 3 Ba (Glg. 1), wobei neben einer Oxidverbindung auch elementares Barium entsteht. Erste experimentelle Ergebnisse der Erfinder zeigen, dass das Barium die Austrittsarbeit von ca. 4,5 eV im Falle einer Molybdän-Elektrode ohne Emittermaterial auf Werte um die 2,0 eV verringert, was zu guten Lebensdauerergebnissen führt.
Generell wird während des Betriebs Emittermaterial verbraucht, dampft also Barium ab. Für das Zusammenspiel von Elektroden-Material und Emittermaterial ist deshalb mitentscheidend, dass die vorstehend dargestellte Reaktion (Glg. 1) fortdauernd abläuft, also auch während des Betriebs Bariumoxid mit Molybdän reagiert, sodass elementares Barium entsteht. Überraschend ist dabei insbesondere, dass die Reaktion in einem Temperaturregime stattfindet, in welchem auch die Temperatur der Elektroden während des Betriebs (ca. 1600 °C) liegt; demnach wird kontinuierlich Barium nachgeliefert.
Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Molybdän- Elektrode wird das Bariumoxid nicht direkt aufgebracht, weil es hygroskopisch ist und in Kontakt mit Luft in erheblichem Umfang Feuchtigkeit aufnehmen würde; diese wäre dann in dem Entladungsgefäß der Lampe gekapselt und könnte eine Verringerung der Lichtabgabe, eine hohe Lampenspannung und eine Verringerung der Lebensdauer zur Folge haben. Deshalb wird Bariumcarbonat auf das Elektroden- Material aufgebracht und in einem Formierprozess zu Bariumoxid umgesetzt.
Das Bariumcarbonat nimmt keine beziehungsweise kaum Feuchtigkeit auf; bei erhöhter Temperatur reagiert das Bariumcarbonat unter Abspaltung von Kohlendioxid zu Bariumoxid: BaCO₃ + SrCO₃ + CaCO₃ → BaO + SrO + CaO + 3 CO₂ (Glg. 2).
Das Strontium- und das Calciumcarbonat setzen bei der Umwandlung in die entsprechenden Oxide Energie frei und helfen so, den Durchsatz in der Fertigung zu erhöhen; die Elektrode muss so beispielsweise für eine kürzere Zeitdauer bei erhöhter Temperatur gehalten werden, bis das Bariumcarbonat umgesetzt ist.
Die Temperatur der Elektrode während des Formierprozesses wird auch durch Ohmsche Heizung eingestellt, und die dabei angelegte Spannung kann nicht beliebig erhöht werden, weil üblicherweise bei Spannungen > 12 V Quecksilber ionisiert wird und Querentladungen auftreten; die Wendel würde dann nicht mehr geheizt werden.
3 illustriert den an eine 320 mA-Triplewendel angelegten Heizstrom (in mA), konkret den Verlauf des maximal erreichten Stromwerts; die Zeit ist auf der x-Achse in Sekunden angegeben. Der Übersichtlichkeit halber sind die Taktpausen zwischen den Strompulsen, in welchen der Strom auf 0 mA zurückspringt, nicht dargestellt.
Ein jeder Strompuls hat eine Zeitdauer von 2,5 Sekunden, und die Taktpause zwischen zwei Strompulsen beträgt 0,2 Sekunden.
Die Kurve zeigt den Verlauf der mit den aufeinanderfolgenden Strompulsen in die Molybdän-Elektrode eingeprägten Stromwerte; mit den ersten Strompulsen wird der Strom schrittweise erhöht und anschließend über eine Vielzahl Strompulse in etwa bei 520 mA gehalten.
Die Pulsfolge wird zweimal unterbrochen, und zwar bei 24 und 48 Sekunden. Zu diesem Zeitpunkt wird das Entladungsgefäß wie nachstehend weiter im Detail erläutert mit Argon gespült; die Molybdän-Elektrode wird dabei nicht mit Strom beaufschlagt, um unerwünschten Effekten wie beispielsweise einer Querentladung vorzubeugen.
Da bei der Reaktion der Carbonate Kohlendioxid freigesetzt wird, welches den Lampenbetrieb beeinträchtigen würde, findet der Formierprozess zwar nach einem Anglasen der Elektrodengestelle, jedoch noch vor einem luftdichten Versiegeln des Entladungsgefäßes statt.
Um beispielsweise an einem innenseitig des Entladungsgefäßes vorgesehenen Leuchtstoff gebundene Gas- und insbesondere Wassermoleküle zu entfernen, wird das Entladungsgefäß in einem Pumpprozess (vor dem Versiegeln) evakuiert und gespült, beispielsweise mit Argon. Der Formierprozess findet während des Pumpprozesses statt, sodass auch das beim Formieren freigesetzte Kohlendioxid weitgehend aus dem Entladungsgefäß entfernt wird.
Im Anschluss an den Pumpprozess wird die Lampe mit der Grundgas- und Quecksilbermenge gefüllt und wird das Entladungsgefäß dann verschlossen. Um einen dauerhaft stabilen Halt und eine gute Kontaktierung zu ermöglichen, werden üblicherweise endseitig am Entladungsgefäß Sockel angebracht; die Stromdurchführungen werden mit Kontaktelementen des Sockels elektrisch leitend verbunden.

Claims

Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum begrenzt, in dem eine Gasfüllung enthalten ist, und mit einer in dem Entladungsraum angeordneten Elektrode, die von außerhalb des Entladungsgefäßes elektrisch kontaktierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode ein Elektroden-Material aufweist, welches zu mindestens 60 Gew.-% aus Molybdän besteht.
Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei welcher das Elektroden-Material aus reinem Molybdän besteht.
Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Elektrode ein Erdalkalimetall, insbesondere in Form eines Erdalkalioxids, als Emittermaterial aufweist.
Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 3, bei welcher das Emittermaterial Barium aufweist, vorzugsweise Bariumoxid.
Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 4, bei welcher das Emittermaterial zusätzlich zumindest eines von Strontiumoxid und Calciumoxid aufweist.
Niederdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Elektroden-Material als Draht ausgebildet ist.
Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 6, bei welcher der Draht eine Wendelform hat, vorzugsweise eine von einer Doppelwendelform, einer Dreifachwendelform und einer Triplewendelform.
Verfahren zum Herstellen einer Niederdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: – Vorsehen eines Entladungsgefäßes, das einen Entladungsraum begrenzt; – Vorsehen einer Elektrode in dem Entladungsraum, die ein Elektroden-Material aufweist, welches zu mindestens 60 Gew.-% aus Molybdän besteht.
Verfahren nach Anspruch 8 zum Herstellen einer Niederdruckentladungslampe mit einem wendelförmigen Elektroden-Material aus einem Draht, umfassend die Schritte: – Wickeln des Drahts zu einer Wendel, vorzugsweise um einen Kern; – Wärmebehandeln des zu einer Wendel gewickelten Drahts bei einer Temperatur von mindestens 800 °C und maximal 1500 °C.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 zum Herstellen einer Niederdruckentladungslampe mit einem wendelförmigen Elektroden-Material aus einem Draht, wobei der Draht um einen Metall-Hilfskern gewickelt wird, vorzugsweise um einen Eisen-Hilfskern, der anschließend chemisch ausgelöst wird, vorzugsweise mit reiner Salzsäure.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zum Herstellen einer Niederdruckentladungslampe mit einer Elektrode, die Bariumoxid als Emittermaterial aufweist, umfassend die Schritte: – Aufbringen von Bariumcarbonat auf das Elektroden-Material; – Aufheizen der Elektrode, um das Bariumcarbonat bei erhöhter Temperatur zumindest zum Teil zu Bariumoxid zu reagieren.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Elektrode auf eine Temperatur von mindestens 700 °C und höchstens 1000 °C aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Elektrode aufgeheizt wird, indem sie mit Strom beaufschlagt wird, vorzugsweise mit einer Vielzahl aufeinanderfolgenden Strompulsen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Elektrode mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender Strompulsen beaufschlagt wird und die Stromdichte während eines Strompulses mindestens 90 A/mm² und höchstens 210 A/mm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Strompuls eine Zeitdauer von mindestens 1 s und höchstens 4 s hat.