DE2245717A1

DE2245717A1 - ELECTRODE WITH A POROUS SINTER BODY

Info

Publication number: DE2245717A1
Application number: DE2245717A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Rer Nat Kuemmel; Manfred Mair
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1972-09-18
Filing date: 1972-09-18
Publication date: 1974-03-28
Also published as: US3911309A; GB1438524A; JPS4970478A; FR2200618A1; FR2200618B1

Description

Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH, MünchenPatent-Treuhand-Gesellschaft for electric light bulbs mbH, Munich

Elektrode mit einem porösen SinterkörperElectrode with a porous sintered body

Die Erfindung betrifft eine Elektrode mit einem um den Elektrodenstift angeordneten porösen Sinterkörper für Gas- und/oder Dampfentladungslampen, vorzugsweise für Hochdruckentladungslampen.The invention relates to an electrode with a around the electrode pin arranged porous sintered body for gas and / or vapor discharge lamps, preferably for high pressure discharge lamps.

Elektroden, die aus einem Sinterkörper bestehen, sind bereits bekannt; dabei ist der Sinterkörper unterschiedlich zusammengesetzt und geformt. In der DT-AS 1 l43 931 wird ein poröser Kathodenkörper beschrieben, der aus mit Emissionssubstanz durchtränktem Wolfram besteht und in dessen der Entladung zugewandten Oberfläche in Vertiefungen eine zweite Emissionssubstanz mit geringerer Elektronenaustrittsarbeit angeordnet ist. Die zweite Emissionssubstanz dient zur Einleitung der Entladung. Bei der in der DT-PS 1 l87 730 beanspruchten Elektrode besteht der Sinterkörper aus mehreren Zonen, die von um einen Elektrodenstift zusammengepreßten und gesinterten, untereinander verschiedenen Emissionsgemischen gebildet sind. Die temperaturfesteren Zonen höherer Elektronenaustrittsarbeit sind dabei nach dem Entladungsraum hin angeordnet; die Zonen niedrigerer Austrittsarbeit sind an vom Entladungsraum abgewandten Stellen vorgesehen.Electrodes which consist of a sintered body are already known; the sintered body is composed and shaped differently. In DT-AS 1 l43 931 a porous cathode body is described, which consists of tungsten impregnated with emission substance and in whose surface facing the discharge has a second emission substance with a lower electron work function arranged in depressions is. The second emission substance is used to initiate the discharge. In the case of the electrode claimed in DT-PS 1 187 730 there is the sintered body consists of several zones which are formed by different emission mixtures which are compressed and sintered around an electrode pin. The more temperature-resistant zones with a higher electron work function are arranged towards the discharge space; the zones of lower work function are facing away from the discharge space Places provided.

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*) H Ol j, 61/06*) H Ol j, 61/06

Demgegeniiber ist die Elektrode mit einem um den Elektrodenstift angeordneten porösen Sinterkörper für Gas und/oder Dampfentladungslampen, vorzugsweise für Hochdruckentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Sinterkörper aus zwei Zonen besteht, derart, daß die erste Zone 4 aus hochschmelzendem, bei höherer Temperatur als der Temperatur der Bogenansatzstelle gesintertem Material mit Schwammstruktur und die zweite Zone 5 aus einem Gemisch aus hochschmelzendem Material mit einem Emissionsmaterial besteht, wobei die Auflenoberfläche 7 der ersten Zone näher zur Entladung liegt als die Außenoberfläche 8 der zweiten Zone. Als hochschmelzende Materialien für die erste und zweite Zone eignen sich Metalle, z.B. Wolfram, oder auch Metallverbindungen, z.B. Zirkoncarbid, Lanthanborid oder dergleichen.In contrast, the electrode is provided with a porous sintered body for gas and / or vapor discharge lamps arranged around the electrode pin, preferably for high pressure discharge lamps, characterized in that the porous sintered body consists of two zones, such that the first zone 4 of high melting point, at a higher temperature than that Temperature of the arc attachment point consists of sintered material with a sponge structure and the second zone 5 consists of a mixture of high-melting material with an emission material, the outer surface 7 of the first zone being closer to the discharge than the outer surface 8 of the second zone. As high melting point materials for the first Metals, e.g. tungsten, or metal compounds, e.g. zirconium carbide, lanthanum boride or the like, are suitable.

Bei der Schwammstruktur des hochschmelzenden, gesinterten Materials' der ersten Zone bilden die Poren keine voneinander isolierten Hohlräume, sondern sind untereinander verbunden und bilden ein durchlässiges Kanalsystem. Dadurch kann soviel Emitter aus der zweiten Zone an die Außenfläche der ersten Zone nachfließen, daß keine Zerstäubung des hochschmelzenden Materials durch den dort im Betrieb ansetzenden Bogen eintritt.With the sponge structure of the high-melting, sintered material In the first zone, the pores do not form hollow spaces isolated from one another, but are connected to one another and form a permeable channel system. This allows as much emitter from the second zone to come on flow over the outer surface of the first zone, so that no atomization of the high-melting point material is caused by the material that is applied there during operation Arc enters.

Die Dichte der ersten Zone, die bei der Herstellung kein Etnissionsmaterial enthält, beträgt bei Verwendung von reinem Wolfram 8 bis l6 g/cm mit einem Vorzugsbereich von 10 bis l4 g/cm . Das Gemisch der zweiten Zone enthält dagegen eine Emittersubstanz. Es kann z.B. aus 30 bis 70 Gew.% hochschmelzendem Material, vorzugsweise Wolfram, und 70 bis 30 Gew.% Emissionsmaterial bestehen, wobei sich ein Mischungeverhältnis von 50 : 50 Gew.% als günstig erwiesen hat. Als Emissionamaterial können die bekannten Emittersubstanzen, wie z.B. Oxide von Barium, Calcium oder Thorium oder auch Bariumcerat, verwendet werden.The density of the first zone, which does not contain any emission material during manufacture, is 8 to 16 g / cm when using pure tungsten with a preferred range of 10 to 14 g / cm. The mixture of the second Zone, on the other hand, contains an emitter substance. It can e.g. from 30 to 70 wt.% Refractory material, preferably tungsten, and 70 to 30% by weight of emission material exist, with a mixture ratio of 50: 50% by weight has proven to be favorable. Can be used as emission material the known emitter substances such as oxides of barium, calcium or thorium or barium cerate can be used.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist die zweite Zone, an der der Bogen beim Zünden ansetzt, in dem Hohlraum der als Kappe ausgebildeten ersten Zone, an der der Bogen im Betrieb ansetzt, angeordnet. Die Außenoberfläche der Kappe kann dabei z.B. zylindrisch oder kegel- bzw. kegelstumpfförmigIn a preferred embodiment, the second zone is where the arch starts when igniting, arranged in the cavity of the first zone, designed as a cap, to which the arc starts during operation. The outside surface the cap can, for example, be cylindrical or conical or frustoconical

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ausgebildet sein. Die Öffnung der Kappe ist von der Entladung abgewandt. Der Elektrodens.tift ragt entweder mit seinem Ende über die Kappe in die Entladung hinein oder endet in der Kappe. Bei dieser Ausführung der Elektrode ist eine große, nach hinten liegende Fläche für den Zündansatz vorhanden.be trained. The opening of the cap faces away from the discharge. The end of the electrode pen protrudes over the cap the discharge into or ends in the cap. With this type of electrode, there is a large, rearward-facing area for the Start of ignition present.

Um bei den hohen Sintertemperaturen, die zur Erzielung einer guten mechanischen und Hochtemperatur-Festigkeit erforderlich sind, noch eine für die Elektrodenfunktion hinreichende Porösität mit der Struktur eines Schwammes zu erhalten, wird für die Herstellung der ersten Zone eine Mischung aus Pulver von einem Metall wie Wolfram oder von einem anderen hochschmelzenden Material, z.B. von einer Metallverbindung wie Zirkoncarbid oder dergleichen, und einem Pulver eines mit dem hochschmelzenden Material nicht legierenden Materials niedrigen Siedepunktes, z.B. Zink, Kupfer, Gold oder dergleichen, verwendet. Diese Mischung wird auf pulvermetallurgisch üblicher Weise in die gewünschte Form gepreßt. Der Elektrodenstift kann dabei gleich mit in den Sinterkörper eingepreßt werden. Der Preßling wird bei einer Temperatur, die über der Verdampfungstemperatur des Materials niedrigen Siedepunktes liegt, gesintert. Bei dieser ersten Sinterstufe verdampft das flüchtige Material und hinterläßt ein poröses Skelett. Zur Erhöhung der Festigkeit dieses Skeletts wird der poröse Körper einer nochmaligen Sinterung bei höheren Temperaturen bis zu 26OO C unterworfen, wobei die hohe Porösität und die Schwammstruktur des Sinterkörpers praktisch erhalten bleiben. Für die zweite Zone wird eine Pulvermischung aus Metall wie Wolfram oder dergleichen und Emissionsmaterial an die erste Zone oder - wenn die erste Zone als Hohlkörper ausgebildet ist - in den Hohlraum der ersten Zone eingebracht und mit dieser bei einer niedrigeren Temperatur bis zu 2000 C zusammengesintert; dabei kann der Emitter gleichzeitig formiert werden. Das Verdampfen des Materials niedrigen Siedepunktes und das Hochsintern der porösen ersten Zone kann auch in einer Verfahrensstufe erfolgen. Gegebenenfalls, z.B. bei Verwendung von Wolfram als hochschmelzendem Material, ist eine Schutzgasatmosphäre oder Vakuum erforderlich. Außerdem ist bei Verwendung von Wolfram als hochschmelzendem Material Zink als Material mit niedrigem Siedepunkt besonders geeignet, da es gleich-In order to at the high sintering temperatures necessary to achieve a good mechanical and high-temperature strength are required, nor a sufficient porosity for the electrode function with the structure To obtain a sponge, a mixture of powder of a metal such as tungsten or of a other refractory material, e.g. from a metal compound such as Zirconium carbide or the like, and a powder of a low boiling point material that does not alloy with the refractory material, e.g., zinc, copper, gold or the like are used. This mixture is pressed into the desired shape in a conventional powder metallurgy manner. The electrode pin can be pressed into the sintered body at the same time will. The compact is sintered at a temperature which is above the evaporation temperature of the low boiling point material. at During this first sintering stage, the volatile material evaporates and leaves a porous skeleton. To increase the strength of this skeleton the porous body is subjected to a repeated sintering at higher temperatures up to 26OO C, whereby the high porosity and the sponge structure of the sintered body are practically preserved. A powder mixture of metal such as tungsten or the like is used for the second zone and emission material to the first zone or - if the first zone is designed as a hollow body - introduced into the hollow space of the first zone and sintered together with this at a lower temperature up to 2000 C; the emitter can be formed at the same time. Evaporation of the low boiling point material and high sintering the porous first zone can also take place in one process stage. If necessary, e.g. when using tungsten as a high-melting point Material, a protective gas atmosphere or vacuum is required. aside from that When using tungsten as the high-melting material, zinc is particularly suitable as a material with a low boiling point, as it is equally

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zeitig Preßhilfe bei der Formkörperherstellung ist. Rastermikroskopische Aufnahmen von so hergestellten Elektroden zeigen, daß die Brücken zwischen den Körnern, aus denen ursprünglich der Preßling bestand, durch das Sintern bei der hohen Temperatur beinahe so breit sind, daß sie den Körnerabmessungen entsprechen - was die hohe Festigkeit bedingt -, aber trotzdem noch die Schwammstruktur erhalten bleibt.is early pressing aid in the production of moldings. Scanning micrographs of electrodes produced in this way show that the Bridges between the grains that originally made the compact almost as wide due to sintering at the high temperature are that they correspond to the grain dimensions - which gives the high strength - but still retain the sponge structure.

Sinterkörperelektroden haben den Vorteil, daß sie billiger und einfacher in der Herstellung sind als Drahtwendelelektroden. Doch ist bekannt, daß ihre Stabilität bei höheren elektrischen und thermischen Belastungen bisher noch nicht ausreichte, Lebensdauern über 50OO Stunden mit Garantie zu erreichen, so daß sie bei Lampen mit Leistungsaufnahmen über 125 W allgemein nicht verwendet wurden. Demgegenüber ist die Sinterkörperelektrode gemäß der Erfindung auch für Lampen mit Leistungsaufnahmen von 400 W und höher gut geeignet, zumal durch die hohe Sintertemperatur der poröse Körper auch eine bessere elektrische Leitfähigkeit bekommt. Des weiteren tritt durch die hohe Sintertemperatur der ersten Zone der Elektrode, an die die Entladung im Betriebszustand ansetzt, auch bei hoher Belastung ein Zusammensintern der Poren nicht auf, so daß die dosierte Nachlieferung von Emittersubstanz gewährleistet bleibt. Infolge der großen Fläche für den Ansatz der in der Anlaufphase stromstärkeren Entladung und der Lage dieser Fläche am rückwärtigen Ende der erfindungsgemäßen Elektrode und der dadurch bedingten günstigeren Aufheizung der Räume hinter der Elektrode tritt ein schneller Übergang der Entladung in die stromschwächere stationäre Hochdruckphase ein. Dies wird noch unterstützt durch die geringe Wärmekapazität der Elektrode gemäß der Erfindung. Bei der Ausführung der ersten Zone als Kappe wird zusätzlich noch ein wirksamer Schutz für die emitterreiche zweite Zone während des stationären Betriebes der Lampe erreicht.Sintered body electrodes have the advantage that they are cheaper and simpler are in production as wire helix electrodes. However, it is known that their stability under higher electrical and thermal loads has not yet been sufficient to achieve lifetimes of over 50OO hours with a guarantee, so that in lamps with power consumption over 125 W were generally not used. In contrast, the sintered body electrode according to the invention is also suitable for lamps with power consumption 400 W and higher are well suited, especially since the high sintering temperature also gives the porous body better electrical conductivity. Furthermore, due to the high sintering temperature, the first zone of the electrode, to which the discharge starts in the operating state, also occurs high load does not cause the pores to sinter together, so that the metered subsequent delivery of emitter substance is guaranteed. As a result of the large area for the start of the higher-current discharge in the start-up phase and the position of this area at the rear end of the electrode according to the invention and the resulting more favorable heating of the spaces behind the electrode, a faster transition occurs Discharge in the weaker current stationary high pressure phase. This is supported by the low heat capacity of the electrode according to the invention. When the first zone is designed as a cap, there is also effective protection for the second zone, which is rich in emitters reached during stationary operation of the lamp.

In den Figuren 1 und 2 sind AusfUhrungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.In the figures 1 and 2 exemplary embodiments of the invention are shown.

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In der Figur 1 ragt der Elektrodenstift 1 aus thoriertem Wolfram mitIn FIG. 1, the electrode pin 1 made of thoriated tungsten also protrudes

2 einem Durchmesser von 1,2 mm mit seiner Spitze etwa 1,5 ™m aus dem Sinterkörper 3 heraus. Der Sinterkörper 3 hat die Form eines Zylinders, dessen Länge mit etwa 5 mm etwas größer als sein Durchmesser ist, und besteht aus der ersten Zone 4 und der zweiten Zone 5· Die erste Zone hat die Form einer zylindrischen Kappe mit glockenförmigem Hohlraum Sie besteht aus hochgesintertem porösem Wolfram mit einer Dichte von 12 g/cm . Der Hohlraum ist mit einem gesinterten Emittergemisch von 50 Gev.% Wolfram und 50 Gew.% Gemisch der Oxide von Barium, Calcium, Thorium fast vollständig ausgefüllt, das die zweite Zone 5 bildet. Die Außenoberfläche 7 der ersten Zone 4 liegt in der Lampe näher zur Entladung als die Außenoberfläche 8 der zweiten Zone 5·2 with a diameter of 1.2 mm with its tip about 1.5 .mu.m out of the sintered body 3. The sintered body 3 has the shape of a cylinder, the length of which is about 5 mm slightly larger than its diameter, and consists of the first zone 4 and the second zone 5. The first zone has the shape of a cylindrical cap with a bell-shaped cavity highly sintered porous tungsten with a density of 12 g / cm. The cavity is almost completely filled with a sintered mixture of emitter 50 Gev.% Tungsten and 50 wt.% Mixture of the oxides of barium, calcium, thorium, forming the second zone 5. The outer surface 7 of the first zone 4 is closer to the discharge in the lamp than the outer surface 8 of the second zone 5

In der Figur 2 hat die erste Zone 4 die Form einer kegelförmigen Kappe 9* Der Elektrodenstift 1 endet mit seiner Spitze 2 in der Mantelfläche der Kappe 9·In FIG. 2, the first zone 4 has the shape of a conical cap 9 *. The electrode pin 1 ends with its tip 2 in the lateral surface the cap 9

- Patentansprüche -- patent claims -

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Claims

PatentansprücheClaims

Elektrode mit einem um den Elektrodenstift angeordneten porösen Sinterkörper für Gas- und/oder Dampfentladungslampen, vorzugsweise für Hochdruckentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Sinterkörper aus zwei Zonen besteht, derart, daß die erste Zone (4) aus hochschmelzendem, bei höherer Temperatur als der Temperatur der Bogenansatzstelle gesintertem Material mit Schwammstruktur und die zweite Zone (5) aus einem Gemisch aus hochschmelzendem Material mit einem Emissionsmaterial besteht, wobei di· Außenober·· fläche (7) der ersten Zone näher zur Entladung liegt als die Außenoberfläche (8) der zweiten Zone.Electrode with a porous arranged around the electrode pin Sintered bodies for gas and / or vapor discharge lamps, preferably for high pressure discharge lamps, characterized in that the porous sintered body consists of two zones, such that the first Zone (4) made of high-melting material with a sponge structure, sintered at a temperature higher than the temperature of the arc attachment point and the second zone (5) consists of a mixture of refractory material with an emission material, wherein the outer surface surface (7) of the first zone is closer to the discharge than the outer surface (8) of the second zone.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Material der ersten und der zweiten Zone ein Metall« vorzugsweise Wolfram, ist.2. Electrode according to claim 1, characterized in that the refractory material of the first and the second zone is a metal « preferably tungsten.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Material der ersten und der zweiten Zone eine Metallverbindung, vorzugsweise Zirkoncarbid oder Lanthanborid, ist.3. Electrode according to claim 1, characterized in that the refractory material of the first and the second zone is a metal compound, preferably zirconium carbide or lanthanum boride.

4. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste4. Electrode according to claim 2, characterized in that the first

Zone bei Verwendung von Wolfram eine Dichte von 8 bis l6 g/cm ,Zone with the use of tungsten a density of 8 to 16 g / cm,

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preferably from 10 to 14 g / cm.

5. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch der zweiten Zone aus 30 bis 70 Gew.% hochschmelzendem Material, vorzugsweise Wolfram, und 70 bis 3O Gew.% Emissionsmaterial besteht, vorzugsweise aus je 50 Gew.%.5. Electrode according to claim 1 and 2, characterized in that the Mixture of the second zone from 30 to 70% by weight of high-melting point Material, preferably tungsten, and 70 to 30% by weight of emission material, preferably 50% by weight each.

6. Elektrode nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsmaterial aus einem oder mehreren der Oxide von Barium, Calcium, Thorium besteht.6. Electrode according to claim 1 and 5, characterized in that the Emission material made from one or more of the oxides of barium, Calcium, consists of thorium.

7. Elektrode nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsmaterial aus Bariumcerat besteht. ,7. Electrode according to claim 1 and 5, characterized in that the Emission material consists of barium cerate. ,

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8. Electrode according to claim 1 to 7 _t, characterized in that the first. Zone has the shape of a cap facing away from the discharge with its open end, in the cavity of which the second zone is arranged,

9. Electrode according to claim 1 to 8, characterized in that the the end of the electrode pin facing the discharge protrudes beyond the cap.

10. A method for producing the electrode according to claim 1 to 9 « characterized in that a powder of a high-melting material, preferably a metal, is used to produce the first zone such as tungsten or a metal compound such as zirconium carbide or lanthanum boride, and a powder one with the high melting point Material of non-alloying material with low boiling point, preferably zinc, mixed and in a high pressure form is pressed together by means of a shaping punch which carries the electrode pin, preferably made of thoriated tungsten, the compact at a temperature above the evaporation temperature of the low boiling point material is sintered, whereby the low boiling point material is evaporated, and the porous body made of high-melting material then to achieve greater mechanical and high-temperature strength at higher temperatures Temperature, preferably up to 2600 C, is sintered, a powder mixture of high-melting point to produce the second zone Material, preferably a metal such as tungsten, and emission material pressed onto or into the first zone and with this at sintered together at a lower temperature up to "2000 C.

Dr.Hz / Br

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