DE2519014C3

DE2519014C3 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen

Info

Publication number: DE2519014C3
Application number: DE2519014A
Authority: DE
Inventors: Jan Rudolf De Bie; Tjepke Hendrik Ekkelboom; Johannes Jacobus Franciscus Geytenbeek; Lodewijk Willem Van Hoorn; Otmar Schob
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-05-13
Filing date: 1975-04-29
Publication date: 1978-03-16
Also published as: DE2519014B2; FR2271663B1; US4117367A; JPS50153480A; GB1488078A; NL7406379A; DE2519014A1; FR2271663A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen aus einem hochschmelzenden Material, wie Wolfram und Tantalcarbid und Gemischen derselben, und gegebenenfalls einem Aktivierungsmaterial, bei dem ein Pulver der gewünschten Zusammensetzung in die endgültige Elektrodenform gepreßt, und der Preßling dann einer Sinterbehandlung oberhalb 2000⁰C unterworfen wird.

Insbesondere handelt es sich um ein Herstellungsverfahren für Elektroden von elektrodenstabilisierten Entladungslampen, bei denen also der Abstand zwischen den Elektroden kleiner als der Durchmesser des Kolbens ist Übliche Gasfüllungen für Lampen dieses Typs bestehen im wesentlichen aus Xenon oder Quecksilber oder Gemischen von Xenon und Quecksilber. Die Elektroden einer derartigen Hochdruckentladungslampe können ein Aktivierungsmaterial, wie Thoriumoxid, enthalten, das zur Herabsetzung des Elektronenaustrittspotentials dient. Bei einer mit Gleichstrom betriebenen Lampe befindet sich das Aktivierungsmaterial im wesentlichen in der Kathode.

Bei einem aus der AT-PS 1 19 231 bekannten Verfahren zur Herstellung von Elektroden wird das Ausgangspulver in eine Preßmatrize eingegeben und dann mit Hilfe eines Preßstempels uniaxial gepreßt. Die Sinterung erfolgt dabei im allgemeinen bei Temperaturen oberhalb etwa 2600⁰C. Dabei kann ein Teil des Aktivierungsmaterials verdampfen. Diese Tatsache muß bei der Wahl der Art des Aktivierungsmaterials und der Menge desselben berücksichtigt werden. So wird die Thoriumoxidmenge in dem '.u verarbeitenden Wolfram aus diesem Grunde nicht viel höher als etwa 2 Gew.% sein und einen Prozentsatz von 5 Gew.% nicht überschreiten dürfen. Dies bedeutet, daß nicht immer eine optimale Menge oder Art Aktivierungsmaterial verwendet werden kann. Bei Elektroden, die auf die beschriebene Weise hergestellt sind, tritt in der Regel bereits nach Betrieb von einigen Stunden, wobei die Temperatur der Elektrode auf Werte oberhalb 2200⁰C zunehmen kann, eine starke Rekristallisation des Wolframs auf, ausgehend von der Stelle, an der der Bogen auf die Elektrode angreift Bei dieser Rekristallisation nimmt die Anzahl Korngrenzen ab, was zur Folge hat, daß der Bogen nicht mehr stabil brennt, weil sich der Angriffspunkt auf der Elektrode regelmäßig verschiebt Diese Erscheinung ist insbesondere störend, wenn die Lampe für Projektionszwecke verwendet wird, weil die Belichtung der Projektionsfläche beim unstabilen Brennen des Bogens nicht gleichmäßig bleibt und sich regelmäßig ändert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen zu schaffen, durch das eine spätere Rekristallisation des Elektrodenmaterials weitgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren eingangs erwähnter Art dadurch gelöst daß das Pulver bei Umgebungstemperatur isostatisch gepreßt wird.

Es hat sich herausgestellt, daß Elektroden, die durch isostatisches Pressen sofort in der gewünschten äußeren Form erhalten werden. Eigenschaften aufweisen, durch die sie sich besonders gut zur Anwendung in Hochdruckentladungslampen eignen. Die Oberfläche dieser Elektroden weist einen höheren Emissionskoeffizienten auf als die Oberfläche der üblichen gesinterten Elektroden. Dies hat eine bessere Wärmeableitung durch Strahlung zur Folge, wodurch bei gleichbleibender Lampenkonstruktion das Durchführungsende der Elektrode durch die Kolbenwand kälter bleibt Dies schafft die Möglichkeit, die Lampe höher zu belasten oder gewünschtenfalls bei gleich-bleibender Belastung eine kleinere Elektrode und einen kleineren Kolben zu verwenden. Auch ist es nun möglich, bei gleichbleibender Lampenkonstruktion eine einfachere Elektrodenform zu wählen.

Weiter wurde gefunden, daß die Kristallstruktur der durch isostatisches Pressen erhaltenen Elektroden beim Betrieb der Lampe (Elektrodenspitzentemperatur höher als 2200⁰C) aufrechterhalten wird. Auch bei lange dauernden Brennversuchen (< 500 Stunden) tritt nur ein geringes Kornwachstum auf. Von einer deutlichen Rekristallisation kann keine Rede sein. Der Vorteil der Aufrechterhaltung der feinkristallinen Struktur während der ganzen Lebensdauer der Lampe besteht darin, daß die Anzahl Korngrenzen nahezu konstant bleibt, so daß Nachlieferung von Aktivierungsmaterial aus dem Inneren der Elektroden durch Diffusion entlang der Korngrenzen während der ganzen Lebensdauer der Lampe möglich bleibt. Außerdem wird dadurch ein stabiles Brennen des Bogens gewährleistet.

Zusätzliche Vorteile sind, daß eine freiere Wahl in bezug auf die Zusammensetzung des Materials, aus dem die Elektroden hergestellt werden, auf die Menge und Art Aktivierungsmaterial und auf die Form der Elektroden möglich ist. So kann bei Gleichstromlampen eine raketenförmige Anodenform gewählt werden, durch die für die aufsteigenden Gase eine möglichst große Berührungsoberfläche erhalten wird, ohne daß Wirbelungen auftreten, die zu örtlicher Überhitzung der Anode führen könnten. Nach einem bevorzugten Herstellungsverfahren derartiger Elektroden werden in die Elektrode beim Pressen eine Anzahl über den Umfang ihres zylindrischen Teiles verteilte Aussparungen eingearbeitet, die von axial gerichtaten Rändern und Flächen begrenzt werden, die Teile des Umfangs von Kegeln bilden, deren Achsen mit der Achse der Elektrode zusammenfallen. Es können z. B. vier von

diesen Aussparungen vorhanden sein.

In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß eine aus der DT-OS 15 89 268 bekannte Elektrode in ihrem Inneren eine Bohrung aufweist, welche über radiale öffnungen mit dem Lampenraum in Verbindung steht, damit der Getterwerkstoff aus der Elektrode heraustreten kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 sciiematisch und im Schnitt eine Vorrichtung zur Ausübung des isostatischen Preßverfahrens,

F i g. 2 eine mit der Vorrichtung nach F i g. 1 erhaltene Anode, und

Fig.3 eine Hochdruckentladungslampe mit einer nach dem Verfahren hergestellten Elektrode.

Die in F i g. 1 schematisch und im Schnitt gezeigte Preßvorrichtung enthält ein dickwandiges Druckgefäß 1, einen Boden 2 und einen Stempel 3, die alle aus Stahl bestehen. In dem Druckraum befindet sich eine Flüssigkeit 4, z. B. Benzin. In dem Druckraum ist die allseitig komprimierbare Preßform 5 angebracht in der sich ein Pulver aus einem hochschmelzenden Material 6 und einen komprimierbaren Körper 7 befinden. Die allseitig komprimierbare Preßform 5 wird dadurch erhalten, daß eine Lehre mit der gewünschten Elektrodenform in 1 nissigen Latex eingetaucht und die abgelagerte Gummihaut getrocknet wird. Die Gummiform 5 wird mit dem zu pressenden Pulver gefüllt, wobei eine Vibrationsbehandlung für eine dichte Packung sorgt, wonach ein komprimierbarer Körper 7, z. B. aus Kork, auf das Pulver gesetzt wird. Die Preßform 5 wird dann evakuiert und luftdicht abgeschlossen. Indem der Stempel 3 in Richtung des Pfeiles bewegt wird, wird auf' die Form 5 im Druckgefäß allseitig Druck ausgeübt. Das Medium zum Übertragen des Druckes ist gasförmig oder flüssig. Nach dem Preßvorgang werden die erhaltenen Körper in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt.

Geeignete Drücke zum Durchführen dieses Verfahrens liegen bei Werten zwischen 5 χ 10⁴ und 20 χ 10⁴N pro cm². Mit Wolframpulvern mit Korngrößen von 4 bis 15 μΐπ werden z. B. bei einem Preßdruck von etwa 15 χ 10⁴N pro cm² Körper erhalten, deren Dichte zwischen 85 und 88% der theoretischen Dichte liegt Durch kurzzeitige Sinterung dieser Körper bei einer Temperatur oberhalb 2000⁰C, z. B. 15 Minuten bei 2400° C, kann eine Dichte von etwa 92% der theoretischen Dichte erhalten werden, vergleichsweise sei erwähnt, daß bei Elektroden, die durch das übliche Herstellungsverfahren erhalten sind, die Dichte nach der Sinterung in der Regel 86% der theoretischen Dichte beträgt.

Fig.2 zeigt schaubildlich und in vergrößettem Maßstab eine bevorzugte Ausführungsfonn emer Wolframanode für eine Gleichstromlampe, die durch isostatisches Pressen hergestellt ist Der raketenförmige Körper 21 weist ein kegeliges Ende 22 auf, das abgestumpft ist und dessen Endfläche 23 die Angriffsfläche für den Bogen bildet. An dem von dieser Angriffsfläche abgekehrten Ende 24 ist ein Bündloch 24y4 vorgesehen, in dem der Stromzuführungsstab befestigt werden kann. Der Anodenkörper 21 weist, regelmäßig über den Umfang verteilt, vier Aussparungen auf, die durch senkrecht zueinander stehende Ränder, von denen in der Figur drei (26, 27 und 28) getrennt sind, und von Flächen begrenzt werden, die Teile des Umfangs von Kegeln bilden, von denen vier (29, 30, 31 und 32) dargestellt sind. Die Aussparungen sorgen dafür, daß für die sie streifenden Gase eine möglichst große Berührungsoberfläche erhalten wird, ohne das Wirbelungen auftreten, die zu örtlicher Überhitzung führen könnten. Die öffnung 24A wird nach dem Pressen angebracht, vorzugsweise bevor eine anschließende Temperaturbehandlung stattfindet Bei einer Anode nach F i g. 2 mit einer Gesamtlänge von 2,6 cm wurde beim Betrieb zwischen der Angriffsfläche 23 des Bogens und dem von dieser Fläche abgekehrten Ende 24 der Anode ein Temperaturunterschied von etwa 1000°C bei einer Temperatur der Angriffsfläche 23 von etwa 2600⁰C gemessen.

Die in F i g. 3 dargestellte Lampe ist eine Kurzbogen-Xenonentladungslampe, die beim Betrieb eine Leistung von etwa 450 W aufnimmt. Die Lampe ist als Gleichstromlampe ausgebildet und enthält innerhalb des mit Xenon bis zu einem Druck von 12 Atm. gefüllten Quarzglasentladungsgefäßes 31 einen aus Wolfram bestehenden Anodenkörper 21. (Die Bezugsziffern 22, 23, 26, 27 und 28 haben die gleiche Bedeutung wie in F i g. 2). Die Anode 21 ist an dem gasdicht herausgeführten Stromleiter 33 aus Wolfram befestigt. Die Kathode 35 aus Wolfram mit 1,5 Gew.% ThO₂, das als Emittermaterial dient, wurde ebenfalls durch isostatisches Pressen auf gleiche Weise wie die Anode 21 hergestellt. Die Kathode 35 ist an einem Wolframstromleiter 34 befestigt. Die Stromleiter sind mit Lamptnsokkeln 36 und 37 verbunden. Bei Anwendung einer Anode 21 der in F i g. 2 dargestellten Art stellt sich heraus, daß die Temperatur des Lampensockels 37 etwa 50⁰C niedriger ist als bei einer auf übliche Weise erhaltenen Elektrode gleicher Länge mit Rippen an der Umfangsfläche. Es zeigt sich also, daß eine derartige Lampe schwerer belastet werden kann, ehe die Temperatur in den Lampensockeln auf gleicher Höhe wie bei Lampen mit auf übliche Weise hergestellten Elektroden zugenommen hat. Dies bedeutet, daß bei gleichbleibender Belastung kürzere Stromleiter 33 und 34 bei Anwendung isostatisch gepreßter Elektroden genügen, so daß eine Lampe mit kleineren Abmessungen erhalten werden kann. Bei gleicher Temperatur der Lampensokkel 36 und 37 bedeutet dies, daß die Lampe im Vergleich zu einer Lampe der gleichen Abmessungen und mit üblichen Elektroden höher belastet werden kann und somit eine höhere Lichtausbeute möglich wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Hochdruckentladungslampen aus einem hochschmelzenden Material, wie Wolfram und Tantalcar- bid und Gemischen derselben, und gegebenenfalls einem Aktivierungsmaterial, bei dem ein Pulver der gewünschten Zusammensetzung in die endgültige Elektrodenform gepreßt und der Preßling dann einer Sinterbehandlung oberhalb 2000^cC unterwor- ₎₀ fen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver (6) bei Umgebungstemperatur isostatisch gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung raketenförmiger Elektroden für Hochdruckentladungslampen für Gleichstrombetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß in die Elektrode (21) beim Pressen eine Anzahl über den Umfang ihres zylindrischen Teiles verteilte Aussparungen eingearbeitet werden, die von axial gerichteten Rändern (26, 27, 28) und _M Flächen (29 bis 32) begrenzt werden, die Teile des Umfangs von Kegeln bilden, deren Achsen mit der Achse der Elektrode zusammenfallen.