DE3036746A1 - Kurzbogenlampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzbogen ( entladungslampe, insbesondere eine solche mit verbessertem Anodenmaterial.

Kurzbogenlampen, z.B. Xenonentladungslampen, werden verbreitet als Lichtquelle von Filmprojektoren verwendet. Bei einer herkömmlichen Kurzbogenlampe sind eine Anode aus hochreinem Wolfram ohne Zusätze und eine Kathode aus Wolfram mit Thoriumoxid mit gutem Elektronenemissionsvermögen in einen durchscheinenden bzw. durchsichtigen (translucent) Kolben aus einem Werkstoff, wie Quarz, eingekapselt, in dem Xenongas unter einem Druck von mehreren bar eingeschlossen ist. Wenn im Betrieb eine Lichtbogenentladung herbeigeführt wird, steigt die Temperatur der Elektroden an, so daß Wolfram verdampft. Ein Teil des verdampften Wolframs schlägt sich auf der Innenfläche des luftdichten Kolbens unter Schwärzung desselben nieder, während sich der Rest mit der geringen Menge des im Kolben vorhandenen Sauerstoffs verbindet und dabei Wolframoxid bildet, durch welches die Innenfläche des Kolbens einen weißen Überzug· erhält. Durch den weißen Überzug und die Schwärzung der Kolbeninnenfläche wird von der Kurzbogenlampe abgestrahltes Licht absorbiert, so daß die Lichtstärke der Lampe abnimmt.

Die Verdampfung von Wolfram von diesen Elektroden führt nicht nur zu den weißen und schwarzen Niederschlägen auf der Kolben-Innenwandfläche, sondern auch zu einer Verformung der Anode. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß ein Anteil des Wolframoxids in der Hahe des Kurzlichtbogens durch dessen Hitze reduziert wird, so daß sich Wolfram auf der Anode niederschlägt.

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Die Weißfärbung und Schwärzung der Kolben-Innenfläche ist also mit dem Nachteil verbunden, daß die Lichtstärke der Lichtquelle abnimmt und sich demzufolge die Helligkeit auf der Projektionswand verringert, wenn eine Kurzbogenlampe, insbesondere eine Xenonlampe, als Lichtquelle für einen Filmprojektor benutzt wird. Durch den-Wolframniederschlag auf der Anode erfährt diese eine Verformung, wodurch sich der Punkt höchster Helligkeit, der auf den Brennpunkt des Lampenreflektors des Projektors eingestellt worden ist, verschiebt; hierdurch werden die Lichtverteilung auf der Projektionsfläche oder -wand und die Bildauflösung an der Filmfläche verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Kurzbogenlampe, bei welcher eine Schwärzung und Weißfärbung (whitening) des Lampenkplbens sowie eine Verformung der Anode vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Kurzbogenlampe mit einem Kolben, einer Anode und einer Kathode, die innerhalb des Kolbens angeordnet sind, und einem im Kolben eingeschlossenen Edelgas erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode aus Wolfram mit mindestens einem Zuschlagselement, wie Silizium, Aluminium und/oder Kalium, hergestellt ist.

Erfindungsgemäß beträgt die Menge des genannten, im Wolfram enthaltenen Elements vorzugsweise 20 - 300 ppm (Teile pro Million Teile) und bevorzugt 20 - 200 ppm; die Anode wird bei einer Temperatur von vorzugsweise über 2000⁰C im Vakuum (vor)behandelt. Eine bevorzugte Anode besteht aus Wolfram, dem alle drei genannten Elemente zugesetzt worden sind.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise im Längsschnitt gehaltene Ansicht einer Kurzbogenlampe mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teildarstellung der Lampe nach Pig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Leuchtbetriebszeit und horizontaler Lichtstärke-Erhaltungsgröße für die erfindungsgemäße Kurzbogenlampe und Vergleichsbeispiele und

Fig. 4A und 4B in stark vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische Darstellungen der Anoden einer erfindungsgemäßen Kurzbogenlampe und einer bisherigen Kurzbogenlampe nach einer Betriebszeit von jeweils 1000 Stunden.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind an beiden Enden eines luftdichten Kolbens 2 einer Xenonlampe 1 eine Anode 3 und eine Kathode 4 befestigt, die durch einen vorbestimmten Abstand bzw. "Luftspalt" 5 voneinander getrennt sind. In den evakuierten Kolben 2 ist Xenon (Xe) unter einem hohen Druck von etwa 6 bar eingeschlossen. Der Kolben 2 weist eine Verschmelzstelle 6 zum Verschließen desselben auf. Anode 3 "und Kathode 4- sind jeweils leitend mit dem einen Ende einer Zuleitung 7 verbunden, und die anderen Enden der Zuleitungen 7 sind an externe Klemmen oder Anschlüsse 9 von Sockeln 8 angeschlossen.

Die Erfindung kennzeichnet sich nun dadurch, daß die Anode der Xenon(entladungs)lampe 1 gemäß den Fig. 1 und 2 aus Wolfram besteht, dem ein oder.mehrere Elemente, wie Silizium, Aluminium und/oder Kalium, zugesetzt sind. Die erfindungsgemäß erzielten Wirkungen sind nachstehend anhand von Beispielen erläutert.

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Erfindungsgemäß vnirden Versuche durchgeführt mit dem Ziel, ein verbessertes Anodenmaterial zu entwickeln, durch welches eine- Schwärzung und Weißfärbung der EoIben-Innenflache sowie eine Verformung der Anode einer Xenonlampe verhindert werden kann.

Bei der Durchführung der "Versuche wurden ein oder mehrere Elemente der Gruppe aus Silizium, Aluminium und Kalium in Form eines Oxids oder Chlorids zu Wolfram zugemischt. Das so gebildete Gemis'ch wurde reduziert, nach einem üblichen metallurgischen Verfahren geformt bzw. gegossen, gesintert, geschmiedet, spanabhebend bearbeitet und bei einer Temperatur von über 2000⁰C im Vakuum wärmebehandelt,um die ange-. strebte Anode zu erhalten. Sodann wurden eine mit einer solchen Anode versehene Xenonlampe sowie als Vergleichsbeispiele dienende Xenonlampen mit Anoden aus Wolfram ohne Zusätze untersucht. Die Ergebnisse finden sich in der nachfolgenden Tabelle. In dieser Tabelle bezieht sich die Zuschlagrestmenge auf den durch eine Analyse der Restmengen jedes Zuschlags erhaltenen Wert; diese Analyse wurde unter Entnahme von Proben nach dem Sintern von 19 untersuchten Anodenmaterialien durchgeführt. Die Zuschlagrestmenge entspricht dem Gehalt an· Si, Al und E in der in die Xenonlampe eingebauten Anode. Zur Bewertung der Eigenschaften nach einer bestimmten Leuchtbetriebsdauer wurden Filmprojektor-Xenonlampen von 26V und 80 A in einer Menge von jeweils 10 Stück für jede Probennummer unter Verwendung der betreffenden Anodenmaterialien hergestellt. Diese Lampen wurden horizontal mit einem solchen Lampenstrom betrieben, daß die Belastung an den Innenflächen des luftdichten Kolbens 30 W/cm betrug, was einer Überlastung der Xenonlampe von 120 % gegenüber dem Normalbetrieb entsprach. Das Verfärbungsausmaß der Eolbenfläche nach jeweils einer bestimmten Betriebsstundenzahl wurde nach den im folgenden angegebenen Bewertungsmaßstäben bewertet.

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TABELLE

Proben- Werkstoff Nr.

Zuschlag- Gesamtrestmenge (ppm) restmenge

(ppm)

Si

Al

Bewertung nach. Betriebsdauer von

h

h 1000 h

Gessamtbewertun g

1	Wolfram Si, Al,	mit K	8	10	24	42
2			13	24	66	103
3			12	16	100	128
4			28	15	117	160
5			27	38.	132	197
6			65	21	178	264
D- CO	Wolfram Si, Al	mit	15 47	7 35		CM CM CM CO
9 10	Wolfram Si, K	mit	11 27		106 129	117 156
11	Wolfram	mit	-	5	42	47
12	Al, K		-	7	108	115
13	Wolfram Si	mit	30 60	-	-	30 60

A	A
A	A1
A	A1
A1	B
B	B1
A	A
A	A
A	A
A	A1
A	A
A	A
A	A
A	A'

A¹

B-

B¹

B¹

A¹

A¹ A¹

A¹

A'

A'

O¹

O¹

0 0

O¹ 0 0 0

ο·

Proben- Nr.	Werkstoff	Zuschlag restmenge Si Al	-	(ppm) K	Gesamt- restmenge (ppm)	Bewertung dauer von 200 h	nach 600	Beteriebs- h 1000 h	Gesamt- bewer- , tung	I
15 16	Wolfram mit Al	40 85	-	40 85	A A	A "A	A1 A1	0 0	00 I
Ί7	Wolfram mit ■tr	-'	73	73	A	A	A1	0
18	JX	-	58	58	A	A	A1	0
19	Wolfram ohne Zusätze	-	-	B	C	C	X

Bewertung Bewertungsmaßstab A₍ Keine Verfärbung zu beobachten A¹ Geringfügige Verfärbung

B Teilweise Verfärbung im oberen Bereich der Vandflache des luftdichten Kolbens

B¹ Verfärbung längs des gesamten oberen

Bereichs der Vandfläche des luftdich-. ten Kolbens

C Erhebliche Verfärbung mit großer Verfärbungsfläche.

Die Gesamtbewertung sirützte sich darauf, ob die betreffende Lampe bei Verfärbung der Kolbenwand für die Filmprojekticn brauchbar ist oder nicht; die Gesamtbewertungen erfolgten jeweils nach einer Betriebszeit der Lampe von 200 Stunden, 600 Stunden und 1000 Stunden. Ein kreisförmiges Symbol ("0") gibt an, daß die betreffende Lampe ohn« Problem brauchbar ist, Das Symbol "O¹ " zeigt, daß die betreffende Lampe brauchbar ist, obgleich sie eine Teilverfärbung aufweist. Ein dreieckiges Symbol bedeutet, daß die Lampe trotz der Färbung betriebsfähig ist. Das Symbol "X" bedeutet, daß die betreffende Lampe infolge erheblicher Verfärbung unbrauchbar ist.

Wie aus den in der Tabelle aufgeführten Versuchsergebnissen hervorgeht, gewährleistet Wolfram im Gemisch mit einem oder mehreren Elementen wie Silizium, Aluminium und/oder Kalium im Vergleich zu Wolfram ohne Zuschläge bzw., Zusätze gute Ergebnisse, obgleich bestimmte Unterschiede in der Fläche der Schwärzung oder Weißfärbung der Kolbenwand nach 1000 Stunden zu beobachten sind. Die Versuchsergebnisse wurden mit einer Überbelastung von 120 % an der Kolbenwand erzielt.

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Die auf diese Weise nach, einer Betriebszeit von 1000 Stunden erzielten Ergebnisse können als den Ergebnissen, die nach, einer Betriebszeit von 2000 Stunden bei einer Belastung von 100 % zu erwarten sind, entsprechend angesehen werden. Die Versuch-sergebnisse sind also ersichtliclierweise für Formalgebrauch zufriedenstellend.

Bei näherer Untersuchung der obigen Versuchsergebnisse zeigt sich, daß im Fall von Wolfram, welches die drei Elemente Silizium, Aluminium und Kalium enthält, die Verfärbung der Wandfläche des luftdichten Kolbens gering ist, wobei die Ergebnisse auch nach einer Betriebszeit von 600 Stunden und auch dann, wenn die genannten Elemente in beliebiger Kombination zugesetzt sind, ausgezeichnet sind, solange die Gesamt-Zuschlagrestmenge weniger als 300 ppm beträgt. Weiterhin geht aus der Tabelle hervor, daß die Verfärbung der Kolbenwand auch nach einer Betriebszeit von 1000 Stunden nahezu nicht feststellbar ist, wenn die Gesamt-Zuschlagrestmenge weniger als 120 ppm beträgt. Die Wolfram-Werkstoffe mit dem Symbol "0" bei der Gesamtbewertung, nämlich die Werkstoffe der Proben-Nummern 1; 2; 7, 8; 9; 11, 12; 13; 15, 16; 17 und 18 wurden in eine Gruppe A eingeteilt. Die in der Spalte "Gesamtbewertung" mit dem Symbol "O¹ " bezeichneten Werkstoffe, nämlich diejenigen der Prob en-Mummern 3*4·; 10; 14 wurden einer Gruppe B zugewiesen. Die mit dem dreieckigen Symbol bezeichneten Werkstoffe, nämlich diejenigen der Proben-Hummern 5 und 6, wurden in eine Gruppe C eingeteilt. Der WoIfram-Werkstoff ohne Zusätze oder Zuschläge, d.h. Proben-Hummer 19, sowie drei aus jeder Gruppe wahllos herausgegriffene Lampen wurden untersucht und dabei mit der Fennspannung von 26 V betrieben. Die horizontale Lichtstärke wurde nach 200, 600 und 1000 Stunden gemessen. Die Änderung der mittleren horizontalen Lichtstärke der drei Lampen (mit anfänglicher horizontaler Lichtstärke als 100 % vorausgesetzt) ist in Pig. 3 veranschaulicht.

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In Pig. 3 stehen die Symbole I, II, III und IV für die horizontale Lichtstärke-Erhaltungsgröße der Lampen der Gruppe Ay der Gruppe B, der Gruppe C bzw. der Lampen mit dem Werkstoff der Proben-Nummer 19· Wie aus Fig. 3 hervorgeht, zeigt die Xenonlampe unter Verwendung des bisher üblichen Wolframs ohne Zusätze in der Anode nach einer Betriebszeit von 1000 Stunden eine horizontale Lichtstärken-

etwa

Erhaltungsgröße von 76 %-> bezogen auf die anfängliche Lichtstärke. Der entsprechende Wert für die Xenonlampe unter Verwendung des Wolfram-Werkstoffs der Gruppe C beträgt etwa 78 %. Die entsprechenden Werte für die Xenonlampen unter Verwendung des Wolfram-Werkstoffs der Gruppen A und B nach 1000 Stunden Betriebszeit betragen 94- % bzw. 91 %. Es ist somit ersichtlich, daß die Verfärbung des luftdichten Kolbens mit den Leistungseigenschaften bezüglich der horizontalen Lichtstärke zusammenhängt.

Als nächstes wurden Untersuchungen bezüglich der Anodenform angestellt, die mit der Verschlechterung der Lichtverteilung der Xenonlampe auf der Projektionswand und der Bildauflösung an der Filmfläche zusammenhängt. Die Pig. 4A und 4-B veranschaulichen in perspektivischer Darstellung die jeweiligen Anodenflächen nach einer Betriebszeit von 1000 Stunden bei der oben angegebenen Nennspannung. Fig.4A veranschaulicht die Anode aus Wolfram ohne Zusätze, entsprechend der Probe-Nummer 19. In diesem Fall hat sich auf der Oberfläche der Anode Wolfram so abgesetzt, daß es über diese Oberfläche hinausragt, wobei die Verformung zudem erheblich ist. Fig. 4B veranschaulicht die Anode mit dem Werkstoff gemäß Probe-Nummer 1. Da die Temperatur an der Elektrodenoberfläche nach einer Betriebszeit von 1000 Stunden ansteigt, führt die geringfügige Verdampfung des Elektrodenmaterials lediglich zu einer Reinigung der Anode unter Bildung einer glänzenden Oberfläche. In diesem Fall war keine Verformung zu beobachten. Der in Fig. 4B veranschaulichte Zustand war bei allen

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Lampen mit Anoden aus Wolfram-Werkstoff zu beobachten, der eines oder mehrere der Elemente Silizium, Aluminium und/oder Kalium enthält, d.h. aus Wolfram-Werkstoff der Gruppe A, B und C. Bei Verwendung einer Anode aus Wolfram mit einem oder mehreren der genannten Elemente ergab sich außerdem eine geringere Verformung der Kathode aus Wolfram mit Thoriumoxid. Diese Tatsache beruht darauf, daß die Sauerstoffkonzentration in der Nahe der Kathode bei Verwendung der angegebenen Anodenwerkstoffe herabgesetzt wird.

Bei Verwendung von Wolfram mit einem oder mehreren Zuschlagselementen, wie Silizium, Aluminium und/oder Kalium, verhindern diese Zuschläge offensichtlich die Bildung von Wolframoxid, so daß die Schwärzung oder Weißfärbung der Kolbenwand durch Wolfram und Wolframoxid ausgeschaltet, die Abnahme der horizontalen Lichtstärke verringert und der Niederschlag von Wolfram auf der Anode verhindert werden.

Erfindungsgemäß betragen die dem Wolfram zuzusetzenden Anteile von Silizium, Aluminium und Kalium vorzugsweise 5 ppm oder mehr, 5 ppm oder mehr bzw. 15 ppm oder mehr.

Obgleich sich die vorstehende Beschreibung auf eine Xenonlampe bezieht, ist die Erfindung auch auf andere Kurzbogenlampen anwendbar, die mit anderen leicht entladbaren Gasen, wie Argon und Neon, gefüllt sind. Die Erfindung ist somit auf Kurzbogenlampen im allgemeinen anwendbar.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine ausgezeichnete Eigenschaften besitzende Kurzb ο gen ( entladungslampe geschaffen, bei welcher für die Anode Wolfram mit einem oder mehreren Zuschlagselementen, wie Silizium, Aluminium und/oder Kalium, verwendet wird, wodurch Schwärzung und Weißfärbung der Wandfläche des luftdichten Kolbens sowie Verformung der Anode, wie sie bei den bisherigen Kurzbogenlampen

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unter Verwendung einer Anode aus Wolfram ohne Zuschläge oder Zusätze auftreten, vermieden werden. Die Abnahme der horizontalen Lichtstärke der Kurzbogenlampe in Abhängigkeit von ihrer Leuchtdauer wird beträchtlich verringert, und die auf eine Verformung der Elektrode bzw. Anode zurückzuführende Verschiebung des Punkts größter Helligkeit wird verhindert.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Kurzbogenlampe mit einem Kolben, einer Anode und einer Kathode, die innerhalb des Kolbens angeordnet sind, und einem im Kolben eingeschlossenen Edelgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus Wolfram mit mindestens einem Zuschlagselement, wie Silizium, Aluminium und/ oder Kalium, hergestellt ist.
2. 2. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Zuschlagselements 20 - 300 ppm (Teile pro Million Teile) beträgt.
3. 3. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode bei einer Temperatur von über 2000⁰C im Vakuum wärmebehandelt worden ist.

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   M-. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß das Edelgas Xenongas ist.

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