DEP0000886BA - Hartmetallelektrode zur Verwendung in wechselstrombetriebenen Metalldampfhochdrucklampen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Mehr als 40 Jahre zurück datiert die Entwicklungsgeschichte der Lichtbogenentladungslampen mit Gas- oder Dampffüllung in abgeschlossenen Entladungsgefässen. Seit Beginn dieser technischen Entwicklung werden mit gleichem aber niemals befriedigendem Erfolg aktivierte, d.h. Oxydkathoden und nachtaktivierte, meist aus schwerschmelzenden Metallen, vorwiegend aus Wolfram hergestellte Elektroden verwendet. Bedingung für eine gute Elektrode ist Haltbarkeit und leichte Aufheizbarkeit zum Zwecke der Zündung der Entladung mit einfachen Mitteln.

In letzter Zeit sind in stärkerem Masse Oxyd-Elektroden in den Vordergrund gerückt, nachdem man gelernt hat, deren Verarbeitung zu vereinfachen und ihre Lebensdauer ausreichend zu erhöhen. Trotzdem haben diese Oxydelektroden gegenüber Hartmetall-Elektroden in gewisser Hinsicht Nachteile, die durch ihren Aufbau bedingt sind. Die Oxyde komplizieren die Fabrikation und verursachen leicht Störungen im Betrieb, indem sie nachgasen, die Gasfüllung verunreinigen und selbst taub oder "vergiftet" werden, wodurch die Entladungsröhren oft vorzeitig unbrauchbar werden.

Es fehlte deshalb auch in jüngster Zeit nicht an Versuchen, die rubusteren und in der Farbrikation und im Gebrauch angenehmeren, nichtaktivierten, aus Tantal, Niob, Wolfram, Molybdän und anderen schwerschmelzbaren Metallen oder deren Legierungen bestehenden Hartmetall-Elektroden ebenfalls zu vervollkommnen und dem Stand der modernen Apparatetechnik anzupassen. Die Erfindung hat eine Elektrodenform zum Gegenstand, die aufgrund der früheren Erfahrungen und in neuen, eingehenden Versuchen entwickelt wurde, die bisherigen Erfolge übertrifft und allen neuzeitlichen Forderungen gerecht wird. Es ist eine Spezial-Elektrode für Hochdruck-Metalldampf-Entladungsröhren für Allstrom- vorwiegend Wechselstrombetrieb. Diese Entladungsröhren haben die weitaus grösste Verbreitung in der Licht- und Bestrahlungstechnik gefunden.

Im DRP. 434 414 ist eine ganz allgemein gültige Vorschrift für den Betrieb von Hartmetall-Elektroden gegeben, wie sie von jeher allen Fachleuten geläufig ist. Um die längstmögliche Lebensdauer für Elektroden aller Art in Bogenentladungen zu gewährleisten, ist durch geeignete Bemessung, um die unvermeidliche Kathoden-Zerstäubung niedrig zu halten, einerseits deren Betriebstemperatur so hoch wie möglich, jedoch nicht zu hoch zu treiben, damit andererseits die ebenfalls unvermeidliche Elektroden-Verdampfung nicht zu stark in Erscheinung tritt. Diese allgemein gehaltene Vorschrift bringt allerdings keine eindeutige Lösung des Problems.

Es erhebt sich sogleich die Frage, wie die Bemessungsvorschrift für eine Hartmetallelektrode lauten muss, um sie für eine Entladungsröhre bestimmter elektrischer Leistung brauchbar zu machen. Als Form für Hartmetall-Elektroden wurden ausser den am häufigsten verwandten einfachen Draht-Spitzen Pinsel, Büschel, Bündel, Spiralen, Knäuel aus Drähten und Blechen vorgeschlagen.

In der heutigen Technik spielt die Wechselstrom-Bogenlampe die weitaus grösste Rolle. In ihr müssen die beiden symmetrisch gebauten Elektroden im Periodenwechsel abwechselnd Kathode und Anode sein. Die Kathoden-Temperatur muss so hoch liegen, dass zur Vermeidung einer Kathodenzerstäubung durch Ionen-Bombardement der Kathodenfall fast ganz verschwindet. Im Anodenbetrieb erhält die Elektrode ihre Temperatur, die sie über die Dunkelpause hinweg vermöge ihrer Wärmekapazität in die Kathoden-Halbperiode hinüber bringen muss.

Es ist einleuchtend, dass die einem Wechselstrom-Lichtbogen am besten entsprechende Elektrodenform eine Kugel auf möglichst dünnem Stiel ist, da die Kugel bei grösstem Volumen (Wärmekapazität) die kleinste Oberfläche (Wärmeabstrahlung) von allen geometrischen Körpern besitzt und ein dünner Stiel eine Wärmeableitung weitmöglichst einschränkt. Nicht beantwortet ist damit jedoch die Frage, welche Grösse die Kugel haben muss, um als Betriebselektrode Verwendung zu finden.

Osias Kruh beschreibt in seinem Aufsatz: "Der Wolframbogen" in E.u.M. (Elektrotechnik und Maschinenbau) 36 (1918) Heft 31, Seite 345, eine einfache Methode für die Herstellung von Kugelelektroden bis 3 mm Durchmesser aus Hartmetallen durch Schmelzen der Spitze z.B. einfacher Wolframstiele im Lichtbogen. Auf diese einfache Art schafft sich der Lichtbogen selbst automatisch die seiner elektrischen Belastung entsprechende optimale Kugelelektrode.

In der Hochdruck-Metalldampfentladung ist die Strombe- lastung der Elektrode jedoch im Anlauf mehr als doppelt so hoch wie im Dauerbetrieb. Alle bisher gegebenen Bemessungsvorschriften für Elektroden haben diesem Umstand nicht Rechnung getragen.

Die die Erfindung ausmachende Lehre besteht nun darin, der Elektrodenkugel eine solche Grösse zu geben, wie sie sich ergibt, wenn aus einem als Betriebselektrode verwendeten Draht oder Drähten des gleichen Hartmetalles mittels Lichtbogen bei einem Strom, der 25 - 100% grösser ist als der betriebsmässige Anlaufstrom der Metalldampfhochdrucklampe, die Kugel durch einen Schmelzvorgang entsteht. Vorteilhaft wird Gleichstrom zum Schmelzen verwandt und die zu schmelzende Kugel als Anode benutzt. Auch hochfrequenter Strom ist gut geeignet. Durch die erfindungsgemässe Vorschrift wird erreicht, dass die geschmolzene Kugel als Elektrode im späteren Betrieb nahe, aber noch genügend unter dem Schmelzpunkt arbeitet, wodurch ihre Zerstäubung und Verdampfung besonders beim Anlauf der Röhre im Niederdruckbetrieb klein gehalten wird. Sinkt der Betriebsstrom und damit die Elektrodentemperatur während der Anlaufzeit, so würde die Kathodenzerstäubung wachsen, wenn sie nicht der gleichzeitig wachsende Dampfdruck weitgehend unterdrückte.

Elektrodenkugeln, nach dieser Herstellvorschrift geschmolzen, werden bei den meist üblichen Stromstärken im allgemeinen grösser als 1 mm Durchmesser sein. Der Durchmesser des sie tragenden Stieles kann aus mechanischen Gründen nicht beliebig dünn gemacht werden.

Es wird daher nach der Erfindung weiterhin vorgeschlagen, dass der die Kugel tragende Stiel aus zwei oder mehreren dünnen Drähten gebildet ist, die in ihrer Zusammenwirkung die Tragfähigkeit und Festigkeitseigenschaften eines einzelnen

Stützdrahtes übersteigen, in ihrem Gesamtquerschnitt indessen geringer ausfallen als der Querschnitt des Stützdrahtes, wobei als Ausgangswert für die Wahl der Drahtstärken der kleinstmögliche Stützdrahtquerschnitt in Betracht kommt, so hat beispielsweise ein Draht von 0,5 mm Durchmesser einen 2,5 mal so grossen Querschnitt wie zehn Drähte von 0,1 mm Durchmesser. Im ersten Falle ist mithin die Wärmeableitung wesentliche grösser, was unerwünscht ist. Im zweiten Falle ergibt sich eine erfahrungsgemäss grössere mechanische Festigkeit.

Ausser den Betriebseigenschaften einer Elektrode sind ferner ihre Zündeigenschaften ein wichtiges Kriterium für ihre Brauchbarkeit. Moderne Entladungsröhren benötigen Elektroden, die durch die Entladung selbst aufgeheizt werden, gegebenenfalls unter Anwendung geeigneter Zündhilfen, etwa eines Hochspannungsstosses.

Der Aufheizung der Elektrode und dem Einsatz der Bogenentladung voraus geht eine Glimmentladung, die durch eine hohe Feldstärke vor der Elektrode, sofern diese klein und scharfkantig oder mit Spitzen versehen ist, hervorgerufen wrid. Die Ionisierung der Gasfüllung wird durch Elektronen-Befreiung aus der Elektrode verstärkt. Diese Elektronen-Emission ist einmal eine Funktion der Aufheizbarkeit der Elektrode oder von Elektrodenteilen, was durch deren geeigneten Bau, am besten durch Spitzen geringer Masse, begünstigt werden kann, zum anderen aber auch eine Funktion der geeigneten Anordnung grossflächiger Prallflächen zur Erzeugung von Sekundär-Elektroden aus der kalten Elektrode (Elektronen-Vervielfachung).

Es hat sich gezeigt, dass sich eine Elektrode nach der

Erfindung dann besonders leicht aufheizt, wenn hinter der Kugel als Betriebselektrode eine genügend grossflächige mit ihr elektrisch verbundene Zündelektrode angeordnet ist, die eine Sekundär-Elektronen-Emission gestattet.

Als Zündelektrode grosser Oberfläche sind feinmaschige Gewebe dünner Hartmetall-Drähte besonders geeignet. Da es sich in Vorigem als vorteilhaft ergeben hat, den die Elektroden-Kugel tragenden Stiel aus einer Vielzahl dünner Drähte herzustellen, ist es möglich, diese Drähte in nicht zu geringem Abstand von der Kugel grossflächig zu verweben. Es ist jedoch auch möglich, mit ihnen ein Stück Gewebeband zu verfalzen.

Betriebs- und Zündteil der Hartmetall-Elektrode haben vollkommen getrennte, voneinander abweichende Funktionen zu erfüllen. Dementsprechend kann es oft von Vorteil sein, das bei der Wahl des Elektroden-Baumaterials zu berücksichtigen. Wolfram, Tantal, Niob und Molybdän, als Beispiele für geeignete Baustoffe, haben voneinander verschiedene Werte für Schmelzpunkt, Elektronen-Austrittsarbeit, Verdampfungsgeschwindigkeit, mechanische Festigkeit usw. Während die Stiele der Elektrode vor allem mechanisch fest sein und einem Lichtbogenansatz widerstehen müssen, soll die Betriebs-Elektrode gute Emissionseigenschaften habe, um den Lichtbogen-Fusspunkt auf sich zu ziehen, und das Zündelektroden-Material soll die Sekundärelektronen-Bildung durch eine niedrige Austrittsarbeit begünstigen. Nach diesen Gesichtspunkten kann die z.B. 1,5 mm Durchmesser grosse Elektroden-Kugel aus einer Tantal/Wolfram-Legierung der Mischung 4:1 bestehend, von z.B. 10 Wolframstielen 0,1 mm Durchmesser getragen werden, die etwa 5 mm hinter der Kugel zu "Kettenfäden" gespreizt und mit einem 0,05 mm Durchmesser betragenden Tantal-"Schussfaden" engmaschig verwebt sind. Fig. 1 gibt dieses Ausführungsbeispiel wieder. Fig. 2 zeigt eine ähnlich gebaute Elektrode, bei der nur einige der Wolfram-Stiele auseinandergespreizt sind.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt in Fig. 3 eine Hartmetall-Elektrode, deren Sitze eine Wolfram-Kugel und deren Zündfläche ein feines Wolfram-Drahtgewebe bildet, das zwischen den zwei Trägerstielen der Elektrode in gewissem Abstand von der Kugelspitze eingefalzt und spiralig aufgewickelt ist. Ähnliche Elektroden sind bereits mit extrem dünnen Blechen, z.B. aus Wolfram 0,025 mm dick, versucht worden, nachdem sich gezeigt hatte, dass diese extrem dünnen Bleche sich örtlich so stark aufheizen lassen, dass der Lichtbogen einen Fusspunkt mit genügender Emission an ihnen findet. Jedoch ist eine derartige Elektrode wegen der hohen Wärmeverluste als Betriebselektrode für Wechselstrom-Lichtbögen in Hochdruckdampf ausserordentlich unzweckmässig, wie aus den weiter oben gegebenen grundsätzlichen Ausführungen leicht erklärbar ist. Als Zündelektrode werden die extrem dünnen Bleche wegen ihrer geringen Wärmekapazität durch die den Zündvorgang einleitende Glimmentladung zur thermischen Elektronenemission aufgeheizt und dienen dem Lichtbogen, wenn auch nur kurzzeitig, als Fusspunkt. Das genügt, um sie schnell spröde zu machen, worauf sie bald abbrechen.

Ist an sich schon der Zündvorgang bei dieser Elektroden-Konstruktion wesensverschieden von dem bei Elektroden nach der vorliegenden Erfindung, so stellt die vorgeschlagene Elektrodenart in Bezug auf Wirkung und Haltbarkeit aus den aufgezeigten Gründen etwas ganz Neues und bisher Unerreichtes dar. Aber auch bei einer Verwendung der Hartmetall-Gewebe als Thermische Zünd- oder Betriebselektrode ist dieses besser als Blech ver- wendbar, weil es auch dann noch örtlich leichter aufheizbar ist, wenn der verwendete Draht mehr als doppelt so dick als das entsprechend verwendbare Blech sein kann. Ist Draht, durch seine Herstellung bedingt, schon wesentlich mechanisch fester als das zu unangenehmer Sprödigkeit herabgewalzte Blech, so differieren die Haltbarkeitsunterschiede nach einer Erhitzung im Vakuum noch beträchtlicher.

Auch mit unregelmässig zusammengeknüllten Drähten können die Eigenschaften von Hartmetallgeweben nicht auf eine Stufe gestellt werden. Knäuel müssen relativ dickdrähtig sein, da bei ihnen nicht wie beim Gewebe ein Draht den Nachbardraht hält. Hartmetallgewebe stellen überhaupt einen praktisch neuen Elektrodenbaustoff für den speziellen Anwendungszweck dar, auf den sich die Erfindung beschränkt. Ganz besonders gilt das von Geweben aus Drähten verschiedener Hartmetalle. Ein solches Gewebe stellt gleichsam eine Legierung dar, deren Zusammensetzung sich dem Verwendungszweck anpassen lässt.

In Fig. 4 ist ein Quarzbrenner für eine Quecksilberdampf-Hochdruckentladung dargestellt, der besonders einfach in seinem Aufbau ist. Die Elektroden sind z.B. gebildet aus einem Gewebeband mit 10 Wolfram-Kettenfäden von etwa 0,1 mm Durchmesser starkem Wolfram-Draht und einem Tantal-Schussfaden von 0,05 mm Durchmesser. Nach der Entladung zu sind die Gewebebänder derr Elektroden zusammengedrillt und im Hochfrequenz-Lichtbogen nach den Bedingungen der Erfindung zu Kugeln geschmolzen, die also aus eienr Wolfram/Tantal-Legierung bestehen. Der Schmelzvorgang kann nach dem Zusammenbau des Brenners etwa im Rahmen des Pumpprozesses erfolgen. Die Elektrode kann also zusammen mit der Molybdän-Dichtungsfolie von aussen in den vorbereiteten Brenner eingeschoben werden, was die Herstellung des Brenners in unvorstellbarer Weise vereinfacht. Kontaktschwierigkeiten zwischen dem Elektrodengewebe und der Stromzuführungsfolie sind auch ohne Verschweissung beider Teile wegen der Breite der Berührungsfläche ausgeschlossen.

Claims (12)

1.) Durch die Entladung geheizte, kugelförmige Hartmetallelektrode zur Verwendung in wechselstrombetriebenen Metalldampfhochdrucklampen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkugel eine solche Grösse besitzt, wie sie sich ergibt, wenn aus einem als Betriebselektrode verwendeten Draht oder Drähten des gleichen Hartmetalles mittels Lichtbogen bei einem Strom, der 25 - 100% grösser ist als der betriebsmässige Anlaufstrom der Metalldampf-Hochdrucklampe, die Kugel durch einen Schmelzvorgang entsteht.

2.) Elektrode nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Hartmetall-Legierung besteht.

3.) Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Kugel tragende Stiel aus zwei oder mehreren dünnen Drähten gebildet ist, die in ihrer Zusammenwirkung die Tragfähigkeit und Festigkeitseigenschaften eines einzelnen Stützdrahtes übersteigen, in ihrem Gesamtquerschnitt indessen geringer ausfallen als der Querschnitt des Stützdrahtes, wobei als Ausgangswert für die Wahl der Drahtstärken der kleinstmögliche Stützdrahtquerschnitt in Betracht kommt.

4.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Stützdrähten einzelne Drähte in einem gewissen Abstand hinter der Kugelelektrode fächerartig gespreizt sind.

5.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützdrähte auseinandergespreizt und wieder zusammengeführt sind, wobei die gespreizten Drähte gegebenenfalls durch ein anderes geeignetes Hartmetall miteinander verwebt sind (Legierungswirkung).

6.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass an die Stützdrähte ein Hartmetallgewebe angefalzt ist.

7.) Verfahren zur Herstellung einer Elektrode gemäss einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Drahtform vorhandenes, als Betriebselektrode geschaltetes Hartmetall mittels Lichtbogen bei einem Strom geschmolzen wird, der 25 - 100% grösser ist als der betriebsmässige Anlaufstrom der betreffenden Entladungsröhre, und zwar solange, bis eine Kugelelektrode sich herausbildet.

8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zusammengedrehte Ende eines Hartmetallgewebes dem Schmelzvorgang ausgesetzt wird.

9.) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hartmetall-Legierung dem Schmelzvorgang unterworfen wird, bei der vor dem Schmelzen die Metallmengen der Entladungsspitze im entsprechenden Verhältnis gemischt werden.

10.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe aus verschiedenen Legierungszusammensetzungen entsprechenden Hartmetalldrähten besteht.

11.) Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode zusammen mit einem Dichtungs- körper von aussen in den fertiggeblasenen Brennerkörper eingeschoben wird.

12.) Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Kugelschmelzens einen Teil des Pumpprozesses bildet.