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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Elektrode für Hochdruckentladungslampen
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Es kann sich dabei insbesondere um Elektroden für Hochdruck-Entladungslampen
handeln, wie sie beispielsweise für die Allgemeinbeleuchtung
verwendet werden.
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Stand der
Technik
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Üblicherweise
werden im Lampenbau Elektroden und Bauteile für Elektroden aus einem hochschmelzendem
Metall wie Wolfram oder Molybdän oder
auch Tantal hergestellt. Dabei ist der Elektrodenkopf fast immer
massiv, d.h. er ist pulvermetallurgisch hergestellt und über Walz-,
Hämmer-
und Ziehprozesse verformt worden. Der Elektrodenschaft ist dabei
immer ein separates Teil, das in eine Bohrung am Ende des Kopfs
eingesteckt wird und dort fixiert wird, beispielsweise durch Löten Schweißen etc.
Ein Beispiel ist in der
US 3
248 591 beschrieben.
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Aus
der DE-A 197 49 908 ist die Anwendung eines Sinterkörpers bekannt,
bei dem erstmals der ganze Kopf zusammen mit dem Schaft einstückig hergestellt
sein kann. Nachteilig daran ist, dass die Sinterung zeitlich sehr
aufwendig ist und die Elektrode nicht porenfrei ist.
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Schließlich ist
aus der DE-A 42 06 002 ein Herstellverfahren für Werkstücke aus W oder Mo beschrieben,
mit dem sich Vertiefungen gut herstellen lassen. Die einzige dort
genannte Anwendung ist für Drehanoden.
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Aus
der
US 4 700 107 ist
eine einstückige Elektrode
bekannt, die jedoch aus einem Wolfram-Blechteil gefertigt ist, das
wenig Stabilität
und eine kleine Ansatzfläche
besitzt. Damit sind keine langen Lebensdauer zu erreichen.
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Darstellung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, die die oben diskutierten Nachteile
beseitigt. Vor allem ist eine Verbesserung des Lebensdauerverhaltens
der Elektroden von Wechselstrom-Metallhalogenid-Hochdrucklampen angestrebt.
Außerdem
soll die Gefügestabilität der Elektrode
im thermisch hochbelasteten Bereich an der Spitze der Elektrode
erhalten werden. Eine weitere Aufgabe ist eine vereinfachte Herstellung
der Elektrode.
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Diese
Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Zur
Erläuterung
der Problematik sei zunächst
ein Vergleich mit den meist für
die Allgemeinbeleuchtung verwendeten Elektroden, die bisher Wendeln
verwendeten, angestellt. Diese Elektroden sind Wolfram-Stifte mit
aufgesetzter Wolfram-Wendel (eine oder zwei Lagen), wobei der Stift über die
Wendel überstehen,
bündig
mit der Wendel abschließen oder
in die Wendel zurückgezogen
sein kann. Die Wendel muss separat gefertigt werden. Sie muss auf den
Stift aufgesetzt und dort durch z. B. Schweißen oder Quetschen fixiert
werden. Bei Einlagenwendeln müssen
zudem Schneidgrate an der Vorderseite der Wendel entfernt werden.
Dadurch sind Wendelelektroden teuer. Zudem spreizt sich die vordere
Windung häufig
im Betrieb ab. Die Erfindung ermöglicht
hier ein besseres Maintenance-Verhalten.
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Der
Wärmekontakt
und der elektrische Kontakt zum Stift sind schlecht definiert. Eine
Alternative waren bisher Kugeln, siehe DE-A 100 33 662, die jedoch
keinen definierten Bogenansatz zulassen. Vor allem geht bei diesen
Elektroden die Längsstruktur des
Gefüges
durch Aufschmelzen der Stirnfläche verlorne.
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Der
durch die Wendel gebildete, verdickte Kopf der Elektroden-Vorderseite
hat folgende Vorteile für
eine mit Wechselstrom betriebene Lampe gegen über einer Stiftelektrode mit
konstantem Durchmesser über
die ganze Länge:
In der Kathodenphase erfolgt der Plasma-Ansatz auf der gesamten
Vorderfläche
der Elektrode und auf dem vorderen Teil der Seitenfläche. Die
zur Elektronenemission beitragenden Fläche ist dabei wesentlich größer als
bei einer Elektrode ohne Wendel. Dadurch kann die Temperatur dieser
Fläche
niedriger sein, was eine verringerte Wolfram-Abdampfung zur Folge
hat. Durch den verringerten Querschnitt der Elektrode im Schaft,
also in dem Bereich, der dem Plasma abgewandt ist, bleiben die Verluste
durch Wärmeleitung
in der Katodenphase klein. Dies führt zu einem niedrigen Katodenfall und
damit zu geringer Materialabtragung durch Sputtern. In der Anodenphase
muss die Eintrittswärme der
aus dem Plasma in die Elektrode eintretenden Elektronen abgeführt werden.
Hier erweist sich die große
Oberfläche
der Wendel ebenfalls als vorteilhaft, weil auch hier die Temperatur
durch Wärmeabstrahlung
niedrig gehalten werden kann und dadurch die Wolfram-Freisetzung durch
Verdampfen gegenüber
einer Elektrode ohne Wendel niedriger ist. Die verringerte Wolfram-Freisetzung
in beiden Wechselstrom-Phasen
hat sowohl eine verringerte Wandschwärzung als auch ein verringertes
Zurückbrennen der
Elektroden und damit einen geringeren Brennspannungsanstieg der
Lampe zur Folge. Dadurch wird das Lebensdauerverhalten der Lampe
gegenüber
einer Stiftelektrode ohne Wendel verbessert.
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Die
oben erwähnten
Vorteile eines verdickten Kopfes werden in der vorliegenden Erfindung statt
durch eine herkömmliche
Wendel durch eine massive, homogene Ausführung des Elektrodenkopfs erreicht.
Dabei ist die Elektrodenform dadurch definiert, dass die Querschnittsfläche der
vorderen Hälfte
der Elektrode zum überwiegenden
Teil ihrer Länge
größer ist
als die Querschnittsfläche
in der hinteren Hälfte.
Die Form der radialen Querschnitte in diesen Bereichen soll dabei
rotationssymmetrisch sein und eine Stirnfläche aufweisen. Die Kanten sollen
dabei möglichst
abgerundet sein. Bevorzugt ist eine kreiszylindrische Geometrie
des Kopfs, da diese sehr einfach herzustellen ist. Die Form des
axialen Querschnitts kann auch anders sein, z.B. zylindrisch, kegelstumpfförmig mit
und ohne abgerundete Kanten, kugelförmig, tropfenförmig. Die
Herstellung einer solchen Elektrode erfolgt aus Vollmaterial mit
geeigneter Ausgangs-Kornstruktur durch mechanischem, thermischem
oder chemischem Abtrag, wobei dieser Abtrag die ursprüngliche
Kornstruktur des Ausgangsmaterials im wesentlichen unverändert lässt. Durch den
Wegfall der Herstellung und des Aufbringens der Wendel ist eine
solche Elektrode einfach und billig. Insbesondere entfällt das
Entfernen des Grats an der Vorderseite einer Einlagenwendel.
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Die
abgeschrägten
Kanten sind vor allem an der Stirnfläche vorteilhaft. Das Material
der Elektrode kann bevorzugt emitterfrei sein, also beispielsweise kein
Thorium enthalten.
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Gegenüber einer
Wendel ergeben sich für den
massiven Elektrodenkopf zusätzliche
wesentliche Vorteile: Kopf und Stift bestehen aus demselben, homogenen
Material mit der gleichen Gefügestruktur. Die
Gefügestruktur
im heißen
Teil der Elektrode hat entscheidenden Einfluss auf ihr Lebensdauerverhalten.
Als vorteilhaft hat sich die Längsstruktur
erwiesen, die im W-Ausgangsmaterial
durch das Ziehen entstanden ist. Diese Struktur wird durch bestimmte Zusätze (Dotierung)
stabilisiert. Bitte ausführen
welche das sind. Die vorteilhafte Gefügestruktur und Gefügeorientierung
des Ausgangsmaterials bleibt bei der vorliegenden Erfindung im gesamten
Elektrodenkopf erhalten. Dadurch ergibt sich ein besonders gutes
Lebensdauerverhalten. Bei einer Wendel ist die Gefügestruktur
in der Wendel zwar in Bezug auf die Wendeldrahtachse längsorientiert,
aber nicht in Bezug auf die Elektrodenachse. Dies führt zu einer
Verschlechterung der Lebensdauereigenschaften. Bei alternativen
Vorschlägen
für einen
verdickten, überwiegend
massiven Elektrodenkopf, beispielsweise EP-A 1 056 115, ist eine
homogene Längsgefügestruktur
nicht herstellbar.
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Der
Plasma-Ansatz ist bei der Massivkopf-Elektrode diffus. Dadurch werden
die sehr hohen Temperaturen eines punkförmigen Ansatzes vermieden.
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Der
massive Kopf hat einen vollständigen, gut
definierten thermischen und elektrischen Kontakt zum übrigen Teil
der Elektrode. Dadurch ergibt sich ebenfalls ein besseres Lebensdauerverhalten.
Im Gegensatz dazu ist der thermische und elektrische Kontakt einer
Wendel oder eines Metallröhrchens zum
Stift schlecht definiert.
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Erfindungsgemäße Elektroden
für Entladungslampen
sind aus hochtemperaturbeständigem Metall
gefertigt. Geeignet ist insbesondere Wolfram, Rhenium oder Legierungen
derselben.
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Dabei
wird zunächst
ein Draht hergestellt. Gegebenenfalls wird durch geeignete Fertigungsprozesse
wie Walzen und Hämmern
dabei zusätzlich Verformungsarbeit
eingebracht, um die Gefügestabilität der Elektrodenmaterialien
zu erhöhen.
Die Elektroden werden aus diesen Draht-Rohlingen mit entsprechenden
Abmessungen schließlich
durch Drehen, Schleifen, Laserabtragen etc. hergestellt. Besonders
bevorzugt ist ein Laserverfahren ähnlich wie in
DE 42 06 002 beschrieben.
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Als
Elektrodenmaterialien dienen jetzt hochtemperaturfeste Metalle,
wie z.B. W, Re bzw. deren Legierungen, die teilweise zusätzlich dotiert
sind, um die Gefügestabilität der Materialien
zu erhöhen.
Vorzugsweise erfolgt die Dotierung zur Gefügestabilisierung mit Elementen
wie z.B. K, Al und Si und ggf. mit Oxiden, Boriden und/oder den
reinen Metallen (bzw. deren Legierungen) von Seltenerdelementen,
der Lanthanoide, der Actinoide, wie z.B. Oxide von La, Ce, Pr, Nd,
Eu, Th, aber auch Sc, Ti, Y, Zr, Hf. bevorzugt ist hier Yttriumoxid.
Sie dienen teilweise zur Gefügestabilisierung,
teilweise auch zur Senkung der Elektronenaustrittsarbeit.
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In
einer besonders bevorzugten ersten Ausführungsform werden einstückige Elektroden,
insbesondere aus Wolfram, hergestellt, wobei die komplexe Kontur
ein hinteres Schaftteil, das zylindrisch ist, sowie eine plane oder
nahezu plane Stirnfläche
besitzen kann, das Teil des Kopfes ist. Es werden hochdichte Körper mit
praktisch 100 % der theoretischen Dichte erzeugt, die massiv, porenfrei
sind und ein Längsgefüge aufweisen.
Der Kopf selbst hat einen maximalen Außendurchmesser D1, der zumindest dem
1,25-fachen, bevorzugt dem Doppelten des Durchmessers des Schafts
D2 entspricht. insbesondere ist 1,25 < D1/D2 < 4 ein möglicher Wertebereich. bevorzugt
liegt er bei 1,5 < D1/D2 < 2,5. Der Kopf kann
scheibenartig geformt sein oder eine andere rotationssymmetrische
Form besitzen. Geeignet ist eine Kopfform, die entweder kreiszylindrisch
ist oder bei der nach Erreichen des maximalen Durchmessers sich
der Durchmesser nach hinten verjüngt,
entweder bis zum Ende des Kopfes, wo dann die Reduzierung zum Durchmesser
des Schaftes abrupt oder nahezu abrupt erfolgt, oder so, dass der
Kopf allmählich
in den Schaft übergeht.
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Damit
wird insbesondere eine Optimierung des Wärmeflussverhaltens von Elektroden
erreicht.
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Der
Vorteil der Einstückigkeit,
also einer lötfreien
oder schweißfreien
Verbindung, ist u.a., dass die im Entladungsvolumen enthaltene Füllung nicht verunreinigt
wird.
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Die
vorliegenden Anmeldung bezieht sich auch auf eine Hochdruckentladungslampe
mit einer oder zwei derartigen Elektroden, insbesondere mit Metallhalogenidfüllung, wie
sie an sich bereits aus der EP-A 1 056 115 oder auch US-A 4 700
107 bekannt ist.
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Figuren
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Im
folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
Metallhalogenidlampe mit erfindungsgemäßer Elektrode;
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2 Elektroden für eine Lampe gemäß 1 in
mehreren Ausführungsbeispielen
(2a bis 2f);
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3 einen
Vergleich des Lichtstroms als Funktion der Brenndauer zwischen Wendel-Elektrode
und massiver einstückiger
Elektrode.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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In 1 ist
schematisch eine Metallhalogenidlampe mit einer Leistung von 150
W dargestellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden
zylindrischen Außenkolben 1 aus
Quarzglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesockelt (3) ist. Selbstverständlich kann
die Lampe auch einseitig verschlossen und beispielsweise mit einem
Schraubsockel versehen sein. Das axial angeordnete Entladungsgefäß 4 aus
Al2O3-Keramik ist
zylindrisch oder bauchig geformt und besitzt zwei Enden 6.
Es ist mittels zweier Stromzuführungen 7,
die mit den Sockelteilen 3 über Folien 8 verbunden
sind, im Außenkolben 1 gehaltert.
Die Stromzuführungen 7 sind
mit Durchführungen 9 verschweißt, die
jeweils in einem Endstopfen am Ende 6 des Entladungsgefäßes eingepasst
sind. Der Endstopfen ist als ein langgezogenes Kapillarrohr 12 (Stopfenkapillare)
ausgeführt. Das
Ende 6 des Entladungsgefäßes und die Stopfenkapillare 12 sind
beispielsweise miteinander direkt versintert. An der Durchführung sitzt
entladungsseitig eine Elektrode 15.
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Die
Durchführung 9 ist
jeweils als mehrteiliger Stift ausgeführt und ragt bis etwa drei
Viertel der Länge
des Kapillarrohrs 12 in dieses hinein. Daran erstreckt
sich innerhalb des Kapillarrohrs 12 zum Entladungsvolumen
hin ein zweiteiliger Elektrodenschaft 16 aus Wolfram mit
einem am entladungsseitigen Ende angebrachten Kopf 17.
Der Stift 9 ist in die Stopfenkapillare 12 eingesetzt
und mittels Glaslot 19 abgedichtet.
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Die
Füllung
des Entladungsgefäßes besteht neben
einem inerten Zündgas,
z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden. Möglich ist
beispielsweise auch die Verwendung einer Metallhalogenid-Füllung ohne
Quecksilber, wobei als Zündgas
beispielsweise Xenon und insbesondere ein hoher Druck, deutlich über 1,3
bar, gewählt
werden kann.
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In 2 sind mehrere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Elektroden
im Detail gezeigt. In 2a ist eine Elektrode 15 gezeigt.
Sie besteht aus einem stabförmigen
Schaft 2, an dessen entladungszugewandtem Ende einstöckig ein
massiver Kopf 17 angesetzt ist. Die Elektrode 15 ist
als Bauteil aus Wolfram oder Rhenium massiv und integral aus einem
Stück hergestellt.
Dabei wird zunächst
ein Draht durch Walzen, Hämmern,
Ziehen hergestellt, dieser Draht wird anschließend mittels Spanen oder Laserabtragen
mit einem Kopf versehen. Der Kopf 17 ist scheibenförmig mit
gegebenem Durchmesser D1, der etwa 1,8-fach so groß wie der
Durchmesser D2 des Schaftes ist.
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In 2b ist
eine einteilige Elektrode 5 für eine hochbelastete Hochdruckentladungslampe
gezeigt. Im Unterschied zu 2a ist
hier der Kopf 20 so gestaltet, dass er einen maximalen
Durchmesser an der ebenen Stirnfläche 21 besitzt. Dahinter
nimmt der Durchmesser um etwa 30 % allmählich ab bis zum Ende des Kopfes.
Auf der Hinterseite des Kopfes geht der Durchmesser dann abrupt,
oder auch allmählich,
auf den Durchmesser des Schaftes 16 zurück.
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In 2c ist
eine Elektrode 15 gezeigt, bei der der Kopf 22 zwar ähnliche
Masse wie in 2a besitzt, jedoch ist die Gestalt
nicht streng geschnitten, sondern eher abgerundet geformt. Die Stirnfläche 21 ist
nicht völlig
plan, sondern leicht konvex gewölbt.
Dadurch wird eine besserer Zentrierung des Bogens erreicht, ohne
dass sich an der Optimierung des Wärmeflusses etwas wesentliches ändert. Die ganze
Form der Elektrode erinnert an eine Steinaxt.
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In 2d ist
eine Elektrode 15 gezeigt, die eine völlig neuartige Form verwendet.
Dabei geht der Kopf 25 allmählich in den Schaft über, indem
der maximale Durchmesser D1 sich konisch von einem maximalen Wert
im vorderen Bereich verringert und zwar über etwa die Hälfte der
gesamten Länge
L der Elektrode bis auf den Durchmesser D2 des Schaftes verringert. 2d zeigt
ein Beispiel mit D3 = D2.
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Der
maximale Durchmesser D1 des Kopfs 25 kann auch vorne an
der Frontseite erreicht werden (2f).
Möglich
ist auch ein Konzept, bei dem der Durchmesser D3 der planen Stirnfläche dazwischen liegt,
beispielsweise in etwa dem 1,25-fachen des Durchmessers des Schaftes
entspricht (2e), wodurch ein begrenzter
Bogenansatz gesichert wird, und erst etwas weiter hinten der maximale
Außendurchmesser
D1 erreicht wird. 2e zeigt ein Beispiel mit D3
= 1,25 D2, also etwas höherer
Gesamtmasse der Elektrode als bei 2d.
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Die
Kanten in 2 sind vereinfacht dargestellt
und bevorzugt abgerundet.
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3 zeigt
den Vergleich des Lichtstroms, angegeben in Kilolumen (klm), über eine
Brenndauer von mehr als 10000 Std. für eine mit Massivkopf gemäß 2d ausgerüstete Metallhalogenidlampe
mit keramischem Entladungsgefäß. Die Standard-Elektrode
(Kurve 1) hat einen Stiftdurchmesser von 0,5 mm und eine einlagige
Wendel als Kopf darauf. Deren Außendurchmesser ist 0,86 mm.
Im Vergleich dazu ist gemäß Kurve
2 das Verhalten einer Massivkopf-Elektrode gezeigt mit einer Kopflänge von
1 mm, einem Durchmesser des Kopfes von 0,8 mm und einem Durchmesser
des Schaftes von 0,35 mm. Der Vergleich der Kurven beweist, dass
die Lampe mit Massivkopf-Elektrode einen wesentlich stabileren Lichtstrom über große Lebensdauern
aufweist.