DE112012000696T5

DE112012000696T5 - Kurzbogenentladungslampe

Info

Publication number: DE112012000696T5
Application number: DE112012000696T
Authority: DE
Inventors: Tomoyoshi Arimoto; Akihiro Shimizu; Mitsuru Ikeuchi
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: JP2012190627A; TWI453784B; DE112012000696B4; KR20130102656A; WO2012121009A1; TW201243899A; CN103493174A; CN103493174B; JP5024466B1; KR101373939B1

Abstract

Aufgabe: Bereitstellen eines Aufbaus bei einer Kurzbogenentladungslampe, bei der eine Anode und eine Kathode im Inneren einer Leuchtröhre einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Kathode aus einem Hauptkörper aus Wolfram und einem mit dem Spitzenende des Hauptkörpers verbundenen Emitterteil besteht, wobei durch Abzielen auf eine Verringerung der Schrumpfung des Kathodenhauptkörpers mit dem Verlauf der Leuchtzeit die Veränderung der Position des Leuchtflecks der Kathode klein gestaltet wird und auf eine Unterdrückung der Abnahme der Leuchtstärke der Lampe abgezielt wird. Mittel zur Lösung: Die Kennzeichnung besteht darin, dass die Porosität in dem Hauptkörper der Kathode geringer als jene in dem Emitterteil ist.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft eine Kurzbogenentladungslampe und insbesondere eine Kurzbogenentladungslampe, bei der an dem Spitzenende der Kathode ein Emitterteil ausgebildet ist.
Allgemeiner Stand der Technik
Da der Abstand zwischen den Elektroden gering ist und sie einer Punktlichtquelle nahekommen, werden Kurzbogenentladungslampen bisher durch eine Kombination mit einem optischen System als Lichtquelle für Belichtungsvorrichtungen mit hoher Lichtbündelungseffizienz benutzt. Mit Xenon gefüllte Kurzbogenentladungslampen werden als Lichtquelle für sichtbares Licht in Projektoren und dergleichen verwendet, und in den letzten Jahren werden sie auch als Lichtquelle für das digitale Kino bevorzugt.
Unter diesen Kurzbogenentladungslampen sind Ausführungen bekannt, bei denen in der Kathode ein Emittermaterial ausgebildet ist, um die Elektronenemissionseigenschaften zu verbessern.
Doch in den letzten Jahren wurden der Verwendung von Thorium als Emittermaterial unter dem Gesichtspunkt der Einsparung knapper Ressourcen Beschränkungen auferlegt, und es wird verlangt, eine Verwendung in großen Mengen zu vermeiden. Außerdem ist Thorium eine radioaktive Substanz, weshalb der Umgang damit durch gesetzliche Vorschriften beschränkt ist.
Angesichts dieser Umstände wurden verschiedene Entladungslampen entwickelt, die so aufgebaut sind, dass in dem Spitzenendbereich der Kathode Thoriumoxid enthalten ist.
In dem Patentliteraturbeispiel 1 (Patentoffenlegungsschrift JP-A-2010-33825 ) ist eine Entladungslampe offenbart, die einen Kathodenaufbau aufweist, bei dem das Emittermaterial nur in den Spitzenendbereich aufgenommen ist. 3 zeigt den in diesem Patentliteraturbeispiel 1 beschriebenen Kathodenaufbau.
Eine Kathode 10 ist aus einem Kathodenhauptkörper 11 aus Wolfram mit einem hohen Reinheitsgrad und einem damit einstückig ausgeführten Emitterteil 12 aufgebaut. Der Emitterteil 12 weist eine Seltene Erde-Verbindung als Emittermaterial in dem Wolfram auf.
Die Kathode 10 wird gebildet, indem Wolframpulver, das die Seltene Erde-Verbindung enthält, und ein Pulver aus reinem Wolfram in einem geschichteten Zustand in eine Herstellungsform gefüllt werden und unter Ausübung eines Drucks auf die Herstellungsform eine Sinterung erfolgt. Das heißt, der Hauptkörper 11 und der Emitterteil 12 werden einstückig gesintert.
Was den Emitterteil 12 betrifft, wird erwartet, dass das Emittermaterial über die Kristallkorngrenzen des Wolframs diffundiert und bis zu dem Spitzenende der Kathode transportiert wird. Dazu muss im Herstellungsprozess eine übermäßige Sinterung vermieden werden. Dies liegt daran, dass die Kristallteilchen des Wolframs mit dem Fortschritt der Sinterung größer werden und der Transport des Emittermaterials zu dem Spitzenende der Kathode beeinträchtigt wird.
Doch obwohl die herkömmlichen Kurzbogenentladungslampen im Hinblick auf die Zufuhr der Emittersubstanz wirksam sind, besteht das Problem, dass die Kathode mit dem Verlauf der Leuchtzeit schrumpft und sich daher die Position des Leuchtflecks der Kathode stark verändert.
Literatur der Vorläufertechnik
Patentliteratur

Patentliteraturbeispiel 1: Patentoffenlegungsschrift JP-A-2010-33825 .

Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Diese Erfindung hat die Aufgabe, eine Kurzbogenentladungslampe bereitzustellen, bei der es im Verlauf der Leuchtzeit nicht zu einer Veränderung des Leuchtflecks der Kathode kommt.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der obigen Aufgabe ist die Kurzbogenentladungslampe dieser Erfindung, bei der eine Kathode und eine Anode im Inneren einer Leuchtröhre einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Kathode aus einem Hauptkörper aus Wolfram und einem mit dem Spitzenende des Hauptkörpers verbundenen Emitterteil aus thoriertem Wolfram besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in dem Hauptkörper der Kathode geringer als die Porosität in dem Emitterteil ist.
Außerdem besteht die Charakteristik darin, dass die Kristallteilchengröße des Wolframs in dem Hauptkörper der Kathode größer als die Kristallteilchengröße des Wolframs in dem Emitterteil ist.
Wirkung der Erfindung
Da die Porosität des aus Wolfram bestehenden Hauptkörpers nach der oben beschriebenen Ausführung geringer als die Porosität des aus thoriertem Wolfram bestehenden Emitterteils ist, kann das Schrumpfen der Kathode mit dem Verlauf der Leuchtzeit verringert werden.
Da die Kristallgröße des Wolframs, das den Hauptkörper der Kathode bildet, größer als die Kristallgröße des Wolframs, das den Emitterteil bildet, ist, kann ebenfalls das Schrumpfen der Kathode mit dem Verlauf der Leuchtzeit verringert werden.
Daraus ergeben sich die Resultate, dass das Ausmaß des Zurückweichens der Position des Spitzenendes der Kathode verringert wird, die Veränderung der Position des Leuchtflecks verringert werden kann und im Fall einer Kombination der Lampe mit einem optischen System eine Lampe mit einer langen Lebensdauer, bei der eine Abnahme der Leuchtstärke aufgrund einer Abnahme der Lichtbündelungseffizienz unterdrückt ist, verwirklicht werden kann.
Einfache Erklärung der Zeichnungen
1 zeigt eine Kurzbogenentladungslampe nach der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt den Kathodenaufbau nach der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt den Kathodenaufbau einer herkömmlichen Entladungslampe.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Kurzbogenentladungslampe nach der vorliegenden Erfindung. Im Inneren einer Leuchtröhre 1 sind eine Anode 2 aus Wolfram und eine Kathode 3 einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Anode 2 und die Kathode 3 jeweils durch einen Elektrodenträgerstift gehalten werden. Der Innenraum der Leuchtröhre 1 ist mit einer Leuchtsubstanz wie Quecksilber oder Xenon gefüllt. Die Entladungslampe kann vertikal, aber auch horizontal betrieben werden.
2 zeigt den Aufbau der Kathode 3 vergrößert. Die Kathode 3 besteht aus einem Hauptkörper 31 aus Wolfram und einem mit dessen Spitzenende verbundenen Emitterteil 31. Die Verbindung des Hauptkörpers 31 und des Emitterteils 32 erfolgt vorzugsweise durch Diffusionsschweißen. Das Diffusionsschweißen ist ein Festphasenschweißen, wobei Metalle an den Flächen aufeinander gefügt werden und in einem festen Zustand unterhalb des Schmelzpunkts der Metalle in einem solchen Ausmaß erhitzt und mit Druck beaufschlagt werden, dass keine plastische Verformung auftritt, und die Atome an der Verbindungsfläche zur Diffusion gebracht werden. Da die Erhitzungstemperatur für das Diffusionsschweißen etwa 2000°C beträgt und nicht wie beim Schmelzschweißen eine Erhitzung auf den Schmelzpunkt von Wolfram (etwa 3400°C) nötig ist, kann die metallographische Struktur des Hauptkörpers und des Emitterteils aufrechterhalten werden und werden die Kathodeneigenschaften nicht nachteilig beeinflusst. Da sich die metallographische Struktur der Kathode nicht verändert, besteht der Vorteil, dass eine Schneidebearbeitung auch nach dem Verbinden des Hauptkörpers 31 und des Emitterteils vorgenommen werden kann.
Der Hauptkörper 31 besteht aus reinem Wolfram mit einem Reinheitsgrad von, zum Beispiel, mindestens 99,99 Gew.-%, während der Emitterteil 32 aus sogenanntem thoriertem Wolfram (nachstehend auch als ”Thoritun” bezeichnet) besteht, wobei Thoriumoxid (ThO₂) als Emittersubstanz in Wolfram als Hauptbestandteil enthalten ist. Der Thoriumoxidgehalt des Emitterteils 32 beträgt zum Beispiel 2 Gew.-%.
Das Thoriumoxid erreicht während des Leuchtens der Lampe eine hohe Temperatur und wird dadurch reduziert und es entstehen Thoriumatome, die zu der Außenfläche der Kathode diffundieren und zu der Spitzenendseite, an der die Temperatur hoch ist, wandern. Dadurch wird die Austrittsarbeit verkleinert und werden die Elektronenemissionseigenschaften vorteilhaft gestaltet.
Die Porosität des thorierten Wolframs, das den Emitterteil 32 bildet, beträgt zum Beispiel 1,3%, während die Porosität des reinen Wolframs, das den Hauptkörper 31 bildet, zum Beispiel 0,5% beträgt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Porosität P durch die folgende Formel definiert: P = 1 – ((a(1 – x)/19,3) + (ax/9,86)), wobei a die Dichte (g/cm³) des Materials ist, x das Gewichtsverhältnis des Thoriumoxids ist, 19,3 (g/cm³) die Dichte von Wolfram ist, und 9,86 (g/cm³) die Dichte von Thoriumoxid ist. In der Formel wird 1 cm³ des Materials mit der Dichte a (g/cm³) in Betracht gezogen. Da darin das Volumen, das von Wolfram eingenommen wird, a(1 – x))/19,3 cm³ beträgt, und das Volumen, das von Thoriumoxid eingenommen wird, ax/9,86 cm³ beträgt, drückt der Wert, aus dem diese Werte beseitigt sind, das in 1 cm³ des Materials eingenommene Volumen der Poren, das heißt, die Porosität aus. Falls andere Substanzen als Thoriumoxid als Verunreinigungen eingemischt sein sollten, können diese vernachlässigt werden, da es sich um sehr geringe Mengen handelt.
Als ein Beispiel weist das für den Emitterteil der Kathode verwendete thorierte Wolfram eine Dichte von 18,7 g/cm³ auf, beträgt das Gewichtsverhältnis des Thoriumoxids 2%, und beträgt die Porosität etwa 1,3%. Das für den Hauptkörper verwendete reine Wolfram weist eine Dichte von 19,2 g/cm³ auf, das Gewichtsverhältnis des Thoriumoxids beträgt 0, und die Porosität beträgt etwa 0,5%.
Da die Porosität des Hauptkörpers somit geringer als die Porosität des Emitterteils ausgeführt wird, kann die Schrumpfung des Hauptkörperteils mit dem Verlauf der Leuchtzeit verringert werden und kann auch die Schrumpfung der Kathode als Ganzes verringert werden. Die Schrumpfungserscheinung des Hauptkörpers liegt im Grunde an dem Phänomen, dass das Volumen des Hauptteils kleiner wird, da Wolfram in die Poren, die im Hauptkörper vorhanden sind, transportiert wird und die Poren dadurch ausgefüllt werden. Andererseits ist es nicht möglich, die gesamte Porosität einschließlich des Emitterteils gering auszuführen. Dies liegt daran, dass es für eine Verringerung der Porosität nötig ist, die Sinterung durch Verlängern der Sinterzeit voranzutreiben, doch werden gleichzeitig damit die Kristallteilchen des Wolframs groß und die Flächen der Kristallkorngrenzen, die den Transportweg für das Thorium bilden, verkleinert, was zur Folge hat, dass die Lieferung des Thoriums zu dem Kathodenspitzenende beeinträchtigt wird. Bei der Erfindung der vorliegenden Anmeldung werden der Hauptkörper und der Emitterteil, die bisher einstückig gesintert worden waren, unter Regulierung der jeweiligen Porosität gesondert gesintert und danach diffusionsverschweißt.
Außerdem kann der durchschnittliche Teilchendurchmesser des reinen Wolframs, das den Hauptkörper bildet, größer als der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Wolframs, das den Emitterteil 32 bildet, ausgeführt werden. Konkret beträgt der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Wolframs, das den Emitterteil bildet, 20 μm, während der durchschnittliche Teilchendurchmesser des reinen Wolframs, das den Hauptkörper 31 bildet, 100 μm beträgt.
Die Kristallteilchengröße des Wolframs kann durch das Schnittverfahren nach JIS H 0501 gemessen werden, und konkret wurde die Anzahl der durch geradlinige Linienabschnitte mit einer bestimmten Länge vollständig quergeschnittenen Kristallteilchen gezählt und der Durchschnittswert der Schnittlänge als Kristallteilchengröße angesetzt.
Wenn die Wolframkristallteilchen in dem Hauptkörper der Kathode größer als die Wolframkristallteilchen in dem Emitterteil ausgeführt werden, kann der Transport von Wolfram in die Poren in dem Hauptkörper unterdrückt werden und kann als Folge die Schrumpfung des Hauptkörpers verringert werden. Dies liegt wohl daran, dass der Transport des Wolframs hauptsächlich entlang der Kristallkorngrenzen des Wolframs erfolgt und die Gesamtfläche der Kristallkorngrenzen um so kleiner wird, je größer die Kristallteilchen des Wolframs werden.
Da es wie oben erwähnt durch die Kathode der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Schrumpfung des Kathodenhauptkörpers mit dem Verlauf der Leuchtzeit zu verringern, kann eine Abnahme der Leuchtstärke der Lampe unterdrückt werden.
Nun soll ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung der Kathode nach der vorliegenden Erfindung erklärt werden.
Es wurde thoriertes Wolfram mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 5 mm sowie reines Wolfram mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 20 mm vorbereitet. Das thorierte Wolfram wies einen Thoriumoxidgehalt von 2 Gew.-%., eine Dichte von 18,7 g/cm³ und eine Porosität von 1,3% auf, und für das reine Wolfram wurde Wolfram mit einer Dichte von 19,2 g/cm³ und einer Porosität von 0,5% verwendet. Für das thorierte Wolfram ist aber auch eine Kristallteilchengröße des Wolframs von etwa 20 μm und für das reine Wolfram eine Kristallteilchengröße des Wolframs von 100 μm möglich.
Anschließend wurden die Verbindungsflächen des thorierten Wolframs und des reinen Wolframs aneinander gefügt und wurde in einem Vakuum eine Druckkraft von etwa 2,5 kN in der Achsenrichtung ausgeübt. Die Temperatur des Verbindungsbereichs wurde durch elektrische Erhitzung auf etwa 2000°C gebracht und das thorierte Wolfram und das reine Wolfram wurden etwa 5 Minuten lang diffusionsverschweißt.
Anschließend sollen Versuchsergebnisse für die vorliegende Anmeldung besprochen werden.
Was die Kathode der vorliegenden Erfindung betrifft, wurden ein Emitterteil mit einem Thoriumoxidgehalt von 2 Gew.-% und einer Porosität von etwa 1,3% und ein Hauptkörper aus reinem Wolfram mit einer Porosität von etwa 0,5% diffusionsverschweißt. Durch Schneideprozesse wurde eine Kathode mit einer Gesamtlänge von 18 mm, einem maximalen Durchmesser von 10 mm, einer Länge des Emitterteils von 1 mm, einem Durchmesser des Spitzenendes der Kathode von 0,6 mm und einem Winkel des Spitzenendes der Kathode von 60° hergestellt, und unter Verwendung dieser Kathode wurde eine Xenon-Kurzbogenentladungslampe mit einer Leistung von 4 kW angefertigt.
Zum Vergleich wurde eine einstückig gesinterte Kathode, die im Emitterteil 2 Gew.-% Thoriumoxid enthielt und deren Hauptkörper aus reinem Wolfram bestand, nach dem Stand der Technik hergestellt und unter Verwendung dieser Kathode eine Xenon-Kurzbogenentladungslampe mit einer Leistung von 4 kW angefertigt. Die Abmessungen der Kathode wie etwa die Länge des Emitterteils und die Spezifikationen der Lampe entsprachen jenen bei der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung. Die Porosität sowohl des Emitterteils als auch jene des Hauptkörpers betrug jeweils etwa 1,3%.
Die Schrumpfungslänge der Kathode nach einem 500 Stunden langen Leuchten der Lampe mit einer Nennleistung von 4 kW betrug bei der Kathode der vorliegenden Erfindung 0,39 mm und bei der Kathode nach dem Stand der Technik 0,5 mm, woraus erkannt wurde, dass die Schrumpfung der Kathode verringert wird.
Da nach der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben die Schrumpfung der Kathode mit dem Verlauf der Leuchtzeit verringert werden kann, kann eine Abnahme der Leuchtstärke der Lampe, die durch eine Veränderung der Position des Leuchtflecks der Kathode verursacht wird, unterdrückt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-33825 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS H 0501 [0030]

Claims

Kurzbogenentladungslampe, wobei eine Anode und eine Kathode im Inneren einer Leuchtröhre einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Kathode aus einem Hauptkörper aus Wolfram und einem mit dem Spitzenende des Hauptkörpers verbundenen Emitterteil aus thoriertem Wolfram besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in dem Hauptkörper der Kathode geringer als die Porosität in dem Emitterteil ist.
Kurzbogenentladungslampe, wobei eine Anode und eine Kathode im Inneren einer Leuchtröhre einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Kathode aus einem Hauptkörper aus Wolfram und einem mit dem Spitzenende des Hauptkörpers verbundenen Emitterteil aus thoriertem Wolfram besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallteilchengröße des Wolframs in dem Hauptkörper der Kathode größer als jene in dem Emitterteil ist.