DE3036746C2 - Edelgas-Kurzbogenentladungslampe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Edelgas-Kurzbogenentladungslampe mit einem Kolben, einer Anode und einer Kathode, die innerhalb des Kolbens angeordnet sind, wobei die Anode aus Wolfram mit mindestens einem Zuschlagselement besteht

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 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 Nähe des Kurzlichtbogens durch dessen Hitze reduziert wird, so daß sich Wolfram auf der Anode niederschlägt

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 dtr 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.

Aus der deutschen Patentschrift 11 82 743 ist bereits eine Anode für eine Edelgas-Hochdruckentladungslampe bekannt, bei der ein Wolfrainkörper gehämmert ist und eine geriefte Anodemnantelfläche mit einer strahlungssteigernden aufgesinterten Metallschicht aufweist Damit soll vermieden werden, daß die Anode während des Betriebes absorbierte Gase abgibt, die dann zu einer Zerstörung der Elektroden führen würden. Die dort verwendete Form mit der zusätzlichen Mantelfläche und der gerieften Oberfläche bedingt jedoch eine aufwendige Herstellung dieser Anoden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 24 768 ist weiterhin eine Elektrode für eine Entladungslampe bekannt, deren Elektrodenkopf aus Wolfram, einem zusätzlichen Metallcarbid mit Tantal, Hafnium oder Zirkonium und einem zusätzlichen Metall aus der Gruppe Thorium und Uran in elementarer Form oder als Borid, Carbid oder Oxid besteht Mit dieser Zusammensetzung soll bezweckt werden, daß die Elektroden einen stabilen, diffus angreifenden Bogen liefern und einen konstanten Elektrodenabstand gewährleisten. Die weißen und schwarzen Niederschläge auf der Kolbeninnenfläche der Lampe werden jedoch durch diese Elektrodenzusammensetzung noch nicht genügend vermieden. Aus der deutschen Patentschrift 7 56 326 ist es auch bereits bekannt, den dort zur Aktivierung der Kathoden als erforderlich angegebenen Antei' ai. Erdalkalimetallen oder Erdalkaliverbindungen, wie Barium, Strontium oder Calcium, zu vermindern, um auf diese Weise auch eine geringere Schwärzung der Lampen zu erreichen. Außerdem werden dort auch noch weitere Zusätze, wie Nickel, Zirkon, Eisen, Aluminium, Magnesium oder Thorium bzw. deren Verbindungen der Elektrode zugesetzt Damit lassen sich aber die Niederschläge auf den Lampenkolben immer noch nicht in befriedigender Weise vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Edelgas-Kurzbogenentladungslampe, bei welcher die aus Wolfram bestehende Anode durch den Zusatz eines einzigen oder weniger Stoffe so verbessert wird, daß sowohl eine Schwärzung oder eine Weißfärbung des Lampcnkolbcns als auch eine Verformung der Anode für eine lange Lebensdauer vermieden werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zuschlagselement Silicium, Aluminium und/ oder Kalium ist.

Zweckmäßigerweise kann der Anteil des Zuschlagselementes 20 bis 300 ppm (Teile pro Millionenteile) und bevorzugt 20 bis 200 ppm betragen. Es ist vorteilhaft, die Anode bei einer Temperatur von vorzugsweise über 2000°C im Vakuum vorzubehandeln. 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 zeigt

F i g. 1 eine teilweise im Längsschnitt gehaltene Ansicht einer Kurzbogenlampe,

F i g. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teildarstellung der Lampe nach F i g. 1,

F i g. 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 bisherigen Kurzbogenlampe und einer erfindungs-

gemäßen Kurzbogenlampe nach einer Betriebszeit von jeweils 1000 Stunden.

Bei der in den F i g. 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 Verschmelzsteile 6 zum Verschließen desselben auf. Anode 3 und Kathode 4 sind jeweils leitend mil 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 Anode 3 der Xenonentladungslampe 1 gemäß den F i g. 1 und 2 besteht aus Wolfram, dem ein oder mehrere Elemente, wie Silizium, Aluminium und/oder Kalium, zugesetzt sind. Die erzielten Wirkungen sind nachstehend anhand von Beispielen erläutert

Es wurden Versuche durchgeführt mit dem Ziel, ein verbessertes Anodenmaterial zu entwickeln, durch welches eine Schwärzung und Weißfärbung der Kolben-Innenfläche 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 Gemisch wurde reduziert, nach einem üblichen metallurgischen Verfahren geformt bzw. gegossen, gesintert geschmiedet spanabhebend bearbeitet und bei einer Temperatur von über 2000°C im Vakuum wärmebehandelt, um die angestrebte Anode zu erhalten. Sodann wurden eine mit einer solchen Anode versehene Xenonlampe sowie als Vergleichsbeispiele dienende Xenonlampe mit Anoden aus Wolfram ohne Zusätze untersucht Die Ergebnisse Hnden sich in der nachfolgenden Tabelle. In dieser

ic Tabelle bezieht sich die Zuschlagresunenge 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 K in der in die Xenonlampe eingebauten Anode. Zur Bewertung der Eigenschaften nach einer bestimmten Leuchtbetriebsdauer wurden Filmprojektor-Xenonlampen von 26 V 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/cm² betrug, was einer Überlastung der Xenonlampe von 120% gegenüber dem Normalbetrieb entsprach. Das Verfärbungsausmaß der Kolbenfläche nach jeweils einer bestimmten Betriebsstundenzahl wurde nach den im folgenden angegebenen Bewertungsmaßstäben bewertet.

Tabelle

Proben-	Werkstoff	Zuschlagrestmenge	Al	K	Gesamt	Verfärb	unKsfläche	Bewertung nach	600 h	1000 h	Gesamt
Nr.		(ppm)	10	24	restmenge	Betriebsdauer von	A	A1	bewertung
		Si	24	66	(ppm)	200 h	A	A'
1	Wolfram mit Si, AI, K	8	16	100	42	A	A'	B	0
2		13	15	117	103	A	A'	B	0
3		12	38	132	128	A	B	B'	0'
4		28	21	178	160	A	B'	B'	0'
5		27	7	-	197	A'	A	A'	Δ
6		65	35	-	264	B	A	A'	Δ
7	Wolfram mit Si, Al	15	-	106	22	A	A	A'	0
8		47	-	129	82	A	A'	B	0
9	Wolfram mit Si, K	11	5	42	117	A	A	A'	0
10		27	7	108	156	A	A	A'	0'
11	Wolfram mit Al, K	-	-	-	47	A	A	A'	0
12		■-	-	-	115	A	A'	B	0
13	Wolfram mit Si	30	40	-	30	A	A	A'	0
14		60	85	-	60	A	A	A'	0'
15	Wolfram mit Al	-	-	73	40	A	A	A'	0
16		-	-	58	85	A	A	A'	0
17	Wolfram mit K	-	-	-	73	A	C	C	0
18		-			58	A			0
19	Wolfram ohne Zusätze	-			-	B			X
Bewertung	Bewertungsmaßstab
A	Keine Verfärbung zu beobachten.
A'	Geringfügige Verfärbung.			Kolbens
B	Teilweise Verfärbung i	im oberen Bereich der Wandfläche des luftdichten	Kolbens
B'	Verfärbung längs des g	gesamten oberen Bereichs der	Wandfläche des luftdichten
C	Erhebliche Verfarbunt	■ mit großer

Die Gesamtbewertung stützte sich darauf, ob die betreffende Lampe bei Verfärbung der Kolbenwand für die Filmprojektion brauchbar ist oder nicht; die Gesamtbewertungen erfolgten jeweils nach einer Betriebszeit der Lampe von 200 Stunden, 600 Stunden und 1000 Stunden. Ein kreisförmiges Symbol (»O«) gibt an, daß die betreffende Lampe ohne Problem brauchbar ist. Das Symbol »O'« 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 von Silizium, Aluminium und/oder Kalium im Vergleich zu Wolfram ohne Zuschlagselemente 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.

Die auf diese Weise nach einer Betriebszeit von 1000 Stunden erzielten Ergebnisse können als die Ergebnisse, die nach einer Betriebszeit von 2000 Stunden bei einer Belastung von 100% zu erwarten sind, entsprechend angesehen werden. Die Versuchsergebnisse sind also ersichtlicherweise für Normalgebrauch 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 Wolf ram-Werkstoffe mit dem Symbol »O« bei der Gesamtbewertung, nämlich die Werkstoffe der Proben-Nummern 1; 2; 7,8;9;11,12; !3; 15,16; 17 und 18 wurden in eine Gruppe A eingeteilt. Die in der Spalte »Gesamtbewertung« mit dem Symbol »O'« bezeichneten Werkstoffe, nämlich diejenigen der Proben-Nummern 3, 4; 10; 14 wurden einer Gruppe B zugewiesen. Die mit dem dreieckigen Symbol bezeichneten Werkstoffe, nämlich diejenigen der Proben-Nummern 5 und 6, wurden in eine Gruppe C eingeteilt. Der Woifram-Werkstoff ohne Zuschläge, d.h. Proben-Nummer 19, sowie drei aus jeder Gruppe wahllos herausgegriffene Lampen wurden untersucht und dabei mit der Nennspannung 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 Fig.3 veranschaulicht

In Fig.3 stehen die Symbole I, II, III und IV für die horizontale Lichtstärke-Erhaltungsgröße der Lampen der Gruppe A, der Gruppe B, der Gruppe C bzw. der Lampen mit dem Werkstoff der Proben-Nummer 19. Wie aus F i g. 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-Erhaltungsgröße von etwa 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 Änodenform angestellt, die mit der Verschlechterung der Lichtverteilung der Xenonlampe auf der Projektionswand und der Bildauflösung an der Filmfläche zusammenhängt. Die F i g. 4A und 4B veranschaulichen in perspektivischer Darstellung die jeweiligen Anodenflächen nach einer Betriebszeit von 1000 Stunden bei der oben angegebenen Nennspannung. F i g. 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 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 Nähe 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 Wolframuxiu ausgeschaltet, die Abnahme der horizontalen Lichtstärke verringert und der Niederschlag von Wolfram auf der Anode verhindert werden.

Die dem Wolfram zuzusetzenden Anteile von Silizium, Aluminium und Kalium betragen 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 Edelgas-Kurzbogenlampen anwendbar, die mit anderen leicht entladbaren Gasen wie Argon und Neon, gefüllt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Edelgas-Kurzbogenentladungslampe mit einem Kolben, einer Anode und einer Kathode, die innerhalb des Kolbens angeordnet sind, wobei die s Anode aus Wolfram mit mindestens einem Zuschlagselement besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuschlagselement Silizium, Aluminium und/oder Kalium ist.

2. Edelgas-Kurzbogenentladungslampe nach Ansprach I, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Zuschlagselements 20-300 ppm beträgt

3. Edelgas-Kurzbogenentladungslampe nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) bei einer Temperatur von über 2000°C im Vakuum wärmebehandelt worden ist