DE1187730B

DE1187730B - Elektrode fuer Gas- und/oder Dampfentladungslampen

Info

Publication number: DE1187730B
Application number: DEP26325A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Bernhard Kuehl
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1961-01-02
Filing date: 1961-01-02
Publication date: 1965-02-25
Also published as: BE612125A; GB953023A; NL272981A; CH401261A; US3244929A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIj

Deutsche Kl.: 2If-82/03

Nummer: 1187730

Aktenzeichen: P 26325 VIII c/21 f

Anmeldetag: 2. Januar 1961

Auslegetag: 25. Februar 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für Gas- und/oder Dampfentladungslampen, insbesondere Hochdruckentladungslampen, welche mehrere bis an ihre Oberfläche reichende räumliche Zonen verschiedener Verdampfungsgeschwindigkeit und verschiedener Elektronenaustrittsarbeit aufweist.

Es sind sogenannte Vorratskathoden bekannt, die aus einem porösen Sinterkörper eines Metalls von hohem Schmelzpunkt bestehen, in dem Oxyde der Erdalkalimetalle und des Aluminiums eingebettet sind. Auch sind solche Kathoden für elektrische Entladungsgefäße nicht mehr neu, bei denen ein poröser Sinterkörper aus schwer schmelzendem Metall wie Wolfram oder Molybdän mit emissionsfördernden Substanzen durchsetzt ist und bei dem der Kathodenkörper wechselweise aus Schichten von Thoriumverbindungen und schwer schmelzenden Metallen aufgebaut und mit einer Deckschicht aus Wolfram oder Molybdän versehen ist. Bei diesen Elektroden soll eine Vorratskathode geschaffen werden, bei der innerhalb eines porösen Mantels die prozentuale Menge der emissionsfördernden Substanz nicht beschränkt ist. Bei allen bekannten Elektroden dieser Art handelt es sich um poröse Vorratskathoden, die entweder eine zu hohe Zündspannung, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, erfordern oder aber meistens während der Betriebsbrennzeit der Lampe infolge zu starker Zerstäubung zur vorzeitigen Schwärzung des Entladungsgefäßes neigen. Die bekannten Wendelelektroden, welche mit Emitter, z. B. aus Oxyden von Erdalkalimetallen, Thorium und Zirkon belegt oder getränkt werden, zünden meist gut, zeigen aber auch eine starke Verdampfung des Emitters während des Betriebs der Lampe und schwärzen den Kolben vorzeitig.

Ferner wurde bereits eine Vorratskathode vorgeschlagen, bei der der poröse Kathodenkörper mit einer Emissionssubstanz durchtränkt ist, die im Betrieb der Entladungslampe zur Oberfläche des Kathodenkörpers diffundiert, während ein Hilfsvorrat eines weiteren Emissionsmaterials geringerer Austrittsarbeit unabhängig von der ersten durchtränkenden Vorratsmenge an den verschiedensten Stellen auf der Oberfläche oder in Oberflächenvertiefungen des Kathodenkörpers aufgetragen oder eingefüllt sein soll. Der Hilfsemissionsstoff soll zunächst die Aufheizung der Kathode übernehmen und ist derart bemessen, daß er für die Zeitspanne der Aktivierung des ersten Hauptvorrates des aktiven Materials gerade genügt. Bei einer solchen Elektrode kann es leicht eintreten, daß der Hilfsvorrat an Emissions-Elektrode für Gas- und/oder Dampfentladungslampen

Anmelder:

Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische
Glühlampen m. b. H.,
München 2, Windenmacherstr. 6

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Bernhard Kühl,
Berlin-Charlottenburg

stoff, der der Aktivierung der Hauptemissionsmasse dienen soll, vorzeitig verbraucht ist.

Eine Elektrode, die beim Zünden der Lampe einen ausreichenden Emitter von geringer Elektronenaustrittsarbeit, d. h. leichter Emissionsfähigkeit, und während der Betriebszeit einen Emitter hoher Temperaturfestigkeit, d. h., geringer Verdampfungsgeschwindigkeit, aufweist, wird gemäß der Erfindung dadurch erhalten, daß die Elektrode aus einem kompakten Sinterkörper besteht, dessen Zonen aus um einen Elektrodenstift aus hochschmelzendem Metall, wie Wolfram oder Molybdän, zusammengepreßten und gesinterten, untereinander verschiedenen Emissionsgemischen gebildet sind, wobei die temperaturfesteren Zonen höherer Elektronenaustrittsarbeit nach dem Entladungsraum hin angeordnet sind, während die Zonen niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit an vom Entladungsraum abgewandten Stellen der Elektrode vorgesehen sind. Vorteilhaft sind die verschiedenen Emissionsgemische aus jeweils wenigstens einem der Oxyde des Bariums, Kalziums, Thoriums und wenigstens einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram oder Molybdän, gebildet. Die Anordnung der verschiedenen Zonen kann in der Weise erfolgen, daß die Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit als Schicht in axialer Richtung von der Entladung entfernter, hinter der Zone höherer Elektronenaustrittsarbeit angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, die Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit beispielsweise als besondere Pille vorzuformen, zu pressen und gegebenenfalls vorzusintern und dann auf der dem Entladungsraum zugewandten Fläche und auf den Seiten mit der Sinterkörperschicht höherer Elektronenaustrittsarbeit einzuhüllen. Dem Emissionsgemisch

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für die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit ist gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung ein größerer Prozentsatz Wolframpulver zugemischt als der Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit. Als vorteilhaft hat sich für die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit ein Gemisch von 5 BaO, 2 Al₂O₃ mit 70 bis 98 Gewichtsprozent, vorzugsweise 90 Gewichtsprozent Wolframpulver erwiesen, worin der Aluminiumgehalt 0,05 bis 1 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent, betragen kann. Ein anderes vorteilhaftes Emissionsgemisch für die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit besteht aus Bariumoxyd, Kalziumoxyd, Thoriumoxyd und feinverteiltem Siliziumoxyd, dem 60 bis 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise 80 Gewichtsprozent Wolframpulver beigemischt sind. Eine weitere Herabsetzung der Schwärzung des Entladungskolbens kann durch Beimischung von 0,05 bis 3 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 Gewichtsprozent ZrO₂ erreicht werden. Ein günstiges Emissionsgemisch für die Sinterkörperzone niedriger Elektronenaustrittsarbeit hat sich aus einei Mischung von Bariumoxyd, Kalziumoxyd, Thoriumoxyd und Siliziumoxyd ergeben, dem bis zu 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise 30 bis 40 Gewichtsprozent Wolframpulver beigemischt sind. Als Ausgangsmaterial der Emissionsgemische ohne den Zusatz von Wolframpulver hat sich eine Mischung von 40 bis 70 Gewichtsprozent Thoriumoxyd, 10 bis 40 Gewichtsprozent Bariumkarbonat, 5 bis 20 Gewichtsprozent Kalziumkarbonat und 0,5 bis 5,0 Gewichtsprozent Siliziumdioxyd erwiesen. Zweckmäßig ragt das der Entladung zugewandte Ende des Elektrodenkernstiftes mindestens bis in die Zone höherer Elektronenaustrittsarbeit hinein und wird gegebenenfalls nur von einer dünnen Schicht des Sinterkörper überdeckt oder ragt noch so weit aus dem Sinterkörper heraus, wie sein Durchmesser groß ist. Der Entladungsbogen sucht sich zur Erzielung eines möglichst geringen Spannungsabfalles zum Ansatz eine Fläche in der Nähe des Elektrodenstiftes aus, da der Sinterkörper selbst einen relativ hohen Widerstand hat. Die äußeren Abmessungen des Sinterkörpers werden zweckmäßig so bestimmt, daß seine Temperatur im Bogenansatzbereich etwa 1800 bis 2300⁰C und im zurückliegenden Zündteil, d.h. in dem vom Bogenansatz entfernten Teil etwa 1050 bis 1300⁰C beträgt. Das Verhältnis von Durchmesser zu Länge des Sinterkörpers ist vorteilhaft mit Rücksicht auf den Anlauf der Entladung möglichst niedrig, d. h., ein kurzer Sinterkörper ergibt eine kurze Anlaufzeit. Der Durchmesser des Elektrodenkernstiftes verhält sich zum Durchmesser des Sinterkörpers etwa wie 1: 2 bis 1:5. Der Preßdruck soll so gewählt werden, daß der Preßkörper nicht auseinanderfällt, andererseits aber auch nicht zu dicht wird. Als zweckmäßig haben sich Preßdrücke von 1000 bis 5000 kg/cm², vorzugsweise von 3000 kg/cm², ergeben. Die Sinterung erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß der Preßkörper auf Temperaturen von 2100 bis 230O⁰C erhitzt wird.

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung teilweise schematisch veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt einen Brenner 1 einer Quecksilberhochdrucklampe, bei dem in bekannter Weise die Elektrodenkernstifte 4 der Elektroden 2 unter Zwischenschaltung von Molybdänfolien 3 in die Enden der Lampe eingequetscht sind. In den F i g. 2 bis 4 sind verschiedene Ausführungen der Sinterelektrode gemäß der Erfindung in stark vergrößertem Maßstab dargestellt.

Die Elektrode nach Fig. 2 besteht aus einem Elektrodenkernstift 4, um den ein aus zwei Zonen 5 und 6 verschiedener Emissionsgemische bestehender Sinterkörper herumgepreßt und dann fest zusammengesintert ist. Die Zone 5 ist in der Lampe an der

ίο vom Entladungsraum abgewandten Seite der Sinterelektrode vorgesehen und besteht aus einem Emissionsgemisch niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit, d. h. höherer Emissionsfähigkeit. Während und kurz nach der Zündung setzt der Bogen an dieser Zone an. Die Zone 6 ist in der Lampe nach dem Entladungsraum hin angeordnet und besteht aus einem temperaturfesteren Emissionsgemisch geringerer Verdampfungsgeschwindigkeit, d. h. höherer Elektronenaustrittsarbeit. Der Bogen setzt während des An-

ao laufs, solange der Druck niedrig ist, wegen seines geringen Gradienten dort an, wo der Kathodenfall am kleinsten ist (Zonen 5).Wenn mit dem Druck der Gradient steigt, springt schließlich der Bogen zu den näher an der Entladung liegenden Zonen 6 über, weil dadurch die Summe von Spannungsabfall im Bogen plus Kathoden- und Anodenfall geringer wird.

Bei der Darstellung der Elektrode nach Fig. 3 ist die Zone 5 aus einem Emissionsgemisch niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit nach der dem Entladungsraum zugewandten Fläche und nach den Seiten von der Zone 6 höherer Elektronenaustrittsarbeit eingehüllt. F i g. 4 stellt eine Elektrode dar, bei der das Emissionsgemisch der Zone 5 allmählich in diejenige der Zone 6 übergeht. Bei der Elektrode nach F i g. 2 und 3 ist der Elektrodenkernstift 4 nach der Entladungsseite hin von einer nur dünnen Schicht des Sinterkörpers überdeckt, während bei der Elektrode nach F i g. 4 der Sinterkörper mit dem Elektrodenkernstift glatt abschließt. Die Emissionszonenschichten sind hier als Pulvergemisch nacheinander in die Preßform gefüllt, bei einem Druck von etwa 3000 kg/cm² gepreßt und dann bei Temperaturen bis auf etwa 2300⁰C herauf gesintert. Das Ausgangsmaterial für das Emissionsgemisch ohne den Zusatz von Wolframpulver besteht hier aus etwa 65 Gewichtsprozent ThO₂, 25,5 Gewichtsprozent BaCO₃, 8,5 Gewichtsprozent CaCO₃ und 1,0 Gewichtsprozent feinverteiltem SiO₂. Für die Sinterkörperzone 5 niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit sind diesem vorstehend angegebenen Emissionsgemisch 40 Gewichtsprozent Wolframpulver, bezogen auf das Gesamtgemisch, beigemengt. Für die Sinterkörperzone 6 höherer Elektronenaustrittsarbeit sind dem Emissionsgemisch 80 Gewichtsprozent Wolframpulver, ebenfalls auf das Gesamtgemisch bezogen, beigegeben. Der Elektrodenkernstift 4 besteht aus Wolfram und hat bei einer 50-W-Quecksirberhochdrucklampe einen Durchmesser von 0,6 mm, während der Durchmesser des Sinterkörpers 2 mm beträgt. Bei Lampen für andere Belastungen weichen die Abmessungen des Elektrodenkernstiftes und des Sinterkörpers selbstverständlich von den angegebenen Werten entsprechend ab.

Die Emissionsgemische werden nur langsam verbraucht und sind daher für viele tausend Zündungen und Brennstunden ausreichend, während der Entladungskolben nur wenig geschwärzt wird. Die

Zündspannung liegt bei diesen Sinterelektroden niedriger als bei anderen, bekannten Entladungslampen. Beim Anlauf der Lampe tritt kein Gleichrichtereffekt auf. Die Entladung brennt nach der Zündung in einem ruhigstehenden Bogen; es tritt nur ein geringer Gleichstromanteil und geringere Hochfrequenzstörung als bei den üblichen Elektroden auf. Bei großen Lampenstückzahlen sind die Kosten für die Herstellung der Sinterelektroden nach der Erfindung geringer als für bisher bekannte Elektroden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrode für Gas- und/oder Dampf entladungslampen, insbesondere Hochdruckentladungslampen, welche mehrere bis an ihre Oberfläche reichende räumliche Zonen verschiedener Verdampfungsgeschwindigkeit und verschiedener Elektronenaustrittsarbeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus einem kompakten Sinterkörper besteht, dessen Zonen aus um einen Elektrodenstift aus hochschmelzendem Metall wie Wolfram oder Molybdän zusammengepreßten und gesinterten, untereinander verschiedenen Emissionsgemischen gebildet sind, wobei die temperaturfesteren Zonen höherer Elektronenaustrittsarbeit nach dem Entladungsraum hin angeordnet sind, während die Zonen niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit an vom Entladungsraum abgewandten Stellen der Elektrode vorgesehen sind.

2. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Emissionsgemische aus jeweils wenigstens einem der Oxyde des Bariums, Kalziums, Thoriums und wenigstens einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram oder Molybdän, gebildet sind.

3. Sinterelektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit auf der dem Entladungsraum zugewandten Fläche und auf den Seitenflächen von der Sinterkörperschicht höherer Elektronenaustrittsarbeit eingehüllt ist.

4. Sinterelektrode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörperzone von niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit und diejenige von höherer Elektronenaustrittsarbeit durch entsprechende Mischung allmählich ineinander übergehen.

5. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit aus einem Gemisch von 5 BaO · 2 Al₂O₃ mit 70 bis 98 Gewichtsprozent, vorzugsweise 90 Gewichtsprozent Wolframpulver besteht, worin der Al-Gehalt 0,05 bis 1 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent, beträgt.

6. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit aus einem Emissionsgemisch von Bariumoxyd, Kalziumoxyd, Thoriumoxyd und feinverteiltem Siliziumoxyd besteht, dem 60 bis 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise 80 Gewichtsprozent Wolframpulver beigemischt sind.

7. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit aus einem Emissionsgemisch von Bariumoxyd, Kalziumoxyd, Thoriumoxyd, Siliziumoxyd besteht, dem bis zu 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise 30 bis 40 Gewichtsprozent Wolframpulver beigemischt sind.

8. Sinterelektrode nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial des Emissionsgemisches ohne den Zusatz von Wolframpulver aus 40 bis 70 Gewichtsprozent Thoriumoxyd, 10 bis 40 Gewichtsprozent Bariumkarbonat, 5 bis 20 Gewichtsprozent Kalziumkarbonat und 0,5 bis 5,0 Gewichtsprozent Siliziumdioxyd besteht.

9. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das der Entladung zugewandte Ende des Elektrodenkernstiftes mindestens bis in die Zone höherer Elektronenaustrittsarbeit hineinragt, vorzugsweise die gleiche Länge wie der Sinterkörper hat oder noch aus diesem etwa um den Betrag der Abmessungen seines Durchmessers herausragt.

10. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung des Sinterkörpers, daß seine Temperatur im Bogenansatzbereich etwa 1800 bis 2300⁰C und im zurückliegenden Zündteil, d. h. in dem vom Bogenansatz entfernten Teil etwa 1050 bis 1300⁰C beträgt.

11. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers zur Länge des Sinterkörpers etwa 1:1 bis 1:3 beträgt.

12. Sinterelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Elektrodenkernstiftes zum Durchmesser des Sinterkörpers sich etwa wie 1:2 bis 1:5 verhält.

13. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsgemische bei einem Druck von etwa 1000 bis 5000 kg/cm², vorzugsweise von 3000 kg/cm², zusammengepreßt und bei Temperaturen von 2100 bis 2300 ⁰C gesintert werden.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 295 395, 692 702, 379, 968 579, 971276, 1091673; österreichische Patentschrift Nr. 176 613; französische Patentschrift Nr. 922 053.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen