Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Elektrodenbauteil für Entladungslampen
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es kann sich dabei insbesondere
um Elektroden für Hochdruck-Entladungslampen handeln, wie sie beispielsweise
für fotooptische Zwecke verwendet werden. Andererseits kann
die Erfindung aber auch für einzelne Teile von Elektroden oder auch für die
Elektrode halternde Gestellteile, beispielsweise Schaftteile für Elektroden,
eingesetzt werden. Diese Teile sind im folgenden unter dem Begriff Bauteile
für Elektroden zusammengefaßt.
Stand der Technik
Üblicherweise werden im Lampenbau Elektroden und Bauteile für Elektroden
aus einem hochschmelzendem Metall wie Wolfram oder Molybdän oder
auch Tantal hergestellt. Dabei ist die Elektrode fast immer massiv, d.h. sie ist
pulvermetallurgisch hergestellt und über Walz-, Hämmer- und Ziehprozesse
verformt worden. Die Anwendung eines Sinterkörpers konnte sich wegen
der hohen Kosten bisher nicht durchsetzen.
Nachteilig an massiven Elektroden ist, daß komplizierte Elektrodenformen,
wie sie beispielsweise für eine optimale Wärmegestaltung notwendig wären,
mit diesen bekannten Elektrodenstrukturen nicht oder nur mit viel spanendem
Aufwand und daher mit hohem Mehrverbrauch (bis zu mehr als 50%
Abfall) hergestellt werden können.
Für bestimmte Zwecke werden bekannte Elektroden auch aus zwei Bauteilen
zusammengesetzt. Sie werden häufig als Kombinations- oder Insert-Elektroden
bezeichnet. Aus der Schrift
Elektrodenwerkstoffe auf der Basis
hochschmelzender Metalle", Hrsg. VEB Narva, Berlin, 1976, S. 183 bis 189,
sind bereits Elektroden bekannt, die aus zwei Bauteilen bestehen. Als Beispiele
sind dort in Fig. 55a Anoden und in Fig. 56 c, d Kathoden, jeweils für
Xenonkurzbogenlampen, beschrieben. Diese Elektroden bestehen aus einem
konventionellen Sinterkörper (Radiator) aus Wolfram, der als Wärmehaushaltskörper
dient. Entladungsseitig ist ein massives Einsatzstück (Insert) aus
gehämmertem Wolfram in einem Hohlraum des Radiators befestigt. Dieses
Einsatzstück ist mit Emitter dotiert, der häufig radioaktiv ist. Eine Stromzuführung
in Gestalt eines Wolframstifts ist mittels einer Wendel in eine Bohrung
des Radiators eingesintert.
Eine ähnliche Technik ist auch in der DE-A 196 26 624 beschrieben. Dort wird
aber auf ein Einsatzstück verzichtet. Die Herstellung derartiger zweiteiliger
Elektroden ist sehr zeitaufwendig und bisher nicht automatisierbar.
Derartige Elektroden kommen auch deswegen kaum zum Einsatz, weil die
aufwendige Bearbeitung des Wärmehaushaltskörpers, nämlich das Herstellen
einer Aufnahme für das Einsetzen eines Einsatzkörpers, unwirtschaftlich
und schwierig ist.
Für spezielle Anwendungen sind Elektroden mit Emitterzusatz (meist Oxide
des Thoriums, der Erdalkalimetalle oder der Seltenerdmetalle, insbesondere
des Lanthan) notwendig. Die oben beschriebenen bekannten Herstellverfahren
benötigen allerdings jeweils einen sehr hohen Grad an mechanischer Bearbeitung.
Mit zunehmendem Emittergehalt wird jedoch die für die Bearbeitung
notwendige Eigenschaft der Verformbarkeit eingeschränkt. Daher war
es bisher nicht erwünscht, den Emittergehalt relativ hoch (ca. 3 - 5 %) anzusetzen.
Statt dessen mußte man sich bisher mit komplizierten Konstruktionen
behelfen um trotzdem einen hohen Emittergehalt zu realisieren. Beispielsweise
ist die Verwendung einer auf die Elektrode aufgeschobenen
Wendel bekannt, wobei in die Hohlräume zwischen den einzelnen Windungen
der Wendel eine emitterhaltige Paste eingebracht ist.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektrodenbauteil gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das die oben diskutierten
Nachteile beseitigt. Insbesondere soll eine komplizierte Formgebung ermöglicht
werden. Außerdem soll die Gefügestabilität der Elektrode im thermisch
hochbelasteten Bereich an der Spitze der Elektrode verbessert werden.
Schließlich wird eine höhere Belastbarkeit hinsichtlich der Stromstärke sowie
eine bessere thermische Belastbarkeit und auch eine höhere Leuchtdichte
angestrebt. Mit konventionellen Techniken ist hier keine Verbesserung mehr
zu erzielen, was sich vor allem bei hochwattigen Lampentypen über 300 W
nachteilig bemerkbar macht. Außerdem ist eine Verbesserung der Bogenunruhe
und eine Verlängerung der Lebensdauer erwünscht.
Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den
abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß sind die Elektrodenbauteile durch ein Metallpulverspritzgußverfahren
hergestellt. Diese Technik, besser bekannt unter dem englischen
Akronym MIM (Metal Injection Molding), ist an sich schon länger bekannt.
Sie wurde jedoch bisher nie im Lampenbau eingesetzt.
Eine kurze Übersicht über das Metallpulverspritzgußverfahren (MIM) findet
sich im Aufsatz
Metallspritzguß - wirtschaftlich für komplizierte Bauteile"
in: Metallhandwerk & Technik
1994, S. 118 - 120, sowie in der Werbebroschüre
Metal Injection Molding" der European Powder Metallurgy Association,
Shrewsbury (UK). Einen guten Überblick findet man außerdem in dem Artikel
Overview of Powder Injection Molding" von P.J. Vervoort et al., in: Advanced
Perfomance Materials
3, S. 121-151 (1996).
Das Metallpulverspritzgußverfahren (siehe beispielsweise US-A 4 765 950
und US-A 4113 480) verbindet die Freiheit in der Formgebung beim bekannten
Kunststoffspritzguß mit den breiten Werkstoffmöglichkeiten der Pulvermetallurgie.
Es ermöglicht die direkte Herstellung sehr kompliziert geformter
Bauteile in endformnaher Fertigung (
near net shaping") unter Vermeidung
spanender Nachbearbeitung. Überdies ist jetzt eine Automatisierung
des Herstellverfahrens möglich.
Der Ablauf des Verfahrens läßt sich kurz so zusammenfassen: Ein geeignetes
Metallpulver wird mit soviel Kunststoff (dem sog. Binder) vermischt, daß
diese Mischung, die als Granulat vorliegt, die Fließeigenschaften des Kunststoffs
annimmt und analog zum Kunststoffspritzguß weiter bearbeitet werden
kann, indem sie in eine Spritzgußform mit der Kontur des gewünschten
zukünftigen Bauteils eingebracht wird. Um dann ein metallisches Bauteil zu
erhalten, wird der Grünkörper aus der Spritzgußform entnommen; der Binder
wird anschließend durch Wärme oder durch Lösungsmittel aus dem sog.
Grünkörper entfernt. Dieser Vorgang wird als Entwachsen (dewaxing) bezeichnet.
Danach wird das Bauteil entsprechend der klassischen Pulvermetallurgie
zu einem Bauteil sehr hoher Dichte (mindestens 90 Vol.-%, bevorzugt
95% und mehr) gesintert. Die Restporosität von höchstens 10 % bzw. 5%
soll bevorzugt als geschlossene Poren vorliegen.
Wichtig ist beim Metallpulverspritzgußverfahren die Vermeidung chemischer
Reaktionen zwischen dem organischen Binder (siehe beispielsweise
US-A 5 033 939) und dem eigentlichen Werkstoff sowie die sorgfältige schonende
Entfernung des Binders aus dem gespritzten Körper (siehe beispielsweise
US-A 4 534 936).
Außerdem muß die Sinteraktivität des benutzten Metallpulvers ausreichend
hoch sein um eine hohe Sinterdichte zu erlangen. Deshalb werden sehr feine
Metallpulver mit kleinen mittleren Korngrößen (unter 20 µm, bevorzugt unter
2 µm) verwendet.
Erfindungsgemäße Elektrodenbauteile für Entladungslampen sind aus
hochtemperaturbeständigem Metall gefertigt. Geeignet ist insbesondere
Wolfram, Molybdän, Tantal, Rhenium oder Legierungen derselben, aber
auch Carbide dieser Metalle, insbesondere Tantalcarbid (TaC).
Bisher waren der Weiterentwicklung von Lampen mit gesteigerten Leuchtdichten
durch die konventionellen Techniken der Elektrodenherstellung enge
Grenzen gesetzt. Die Elektroden wurden aus Rohlingen mit entsprechenden
Abmessungen durch Drehen, Schleifen, Bohren etc. hergestellt. Gegebenenfalls
wird durch geeignete Fertigungsprozesse wie Walzen und Hämmem
noch zusätzlich Verformungsarbeit eingebracht, um die Gefügestabilität
der Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Als Elektrodenmaterialien dienen
jetzt hochtemperaturfeste Metalle, wie z.B. W, Ta, Mo, Re bzw. deren Legierungen,
die teilweise zusätzlich dotiert sind, um die Gefügestabilität der Materialien
zu erhöhen. Vorzugsweise erfolgt die Dotierung zur Gefügestabilisierung
mit Elementen wie z.B. K, Al und Si und zusätzlich mit Oxiden,
Karbiden, Boriden, Nitriden und/oder den reinen Metallen (bzw. deren Legierungen)
von Seltenerdelementen, der Lanthanoide, der Actinoide, wie z.B.
La, Ce, Pr, Nd, Eu, Th, aber auch Sc, Ti, Y, Zr, Hf. Sie dienen nicht nur zur
Gefügestabilisierung, sondern auch zur Senkung der Elektronenaustrittsarbeit.
In einer besonders bevorzugten ersten Ausführungsform werden mittels Metallpulverspritzgußverfahren
einstückige Elektroden, insbesondere aus
Wolfram, hergestellt, wobei die Spritzgußform komplexe Konturen besitzen
kann. Es lassen sich hochdichte Körper mit typisch 98% (sogar bis zu mehr
als 99%) der theoretischen Dichte erzeugen, die bereits endformnah geformt
sind. Damit ist insbesondere eine Optimierung des Wärmeflußverhaltens
von Elektroden möglich, insbesondere indem die Elektrode geeignet geformte
Einschnürungen (Einstiche) und Rillen o.ä. aufweist. Bisher mußte für derartige
Elektroden ein Abfall von bis zu etwa 60% in Kauf genommen werden.
Die Anwendung des Metallpulverspritzgußverfahrens erlaubt dagegen, den
Abfall auf wenige Prozent zu begrenzen. Darüber hinaus können jetzt optimierte
Formen realisiert werden, die bisher überhaupt nicht herstellbar waren.
In einer zweiten Ausführungsform werden einzelne Elektrodenbauteile, die
mittels Metallpulverspritzgußverfahren hergestellt wurden, verwendet. Dabei
handelt es sich um Einzelteile von Elektroden, aber auch um Elektrodengestellteile
zur Halterung von Elektroden, beispielsweise Elektrodenschäfte,
insbesondere aus Molybdän oder Wolfram.
In einer dritten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Elektrodenbauteil
für eine Insert-Elektrode gedacht. Die Insert-Elektroden bestehen aus
mehreren (meist zwei) Komponenten. In einem entsprechend geformten erfindungsgemäßen
Radiator aus einem der o.e. Werkstoffe, der als Wärmehaushalts-Körper
dient, befindet sich als Elektrodenspitze ein Einsatzstück
(Insert). Der Radiator besteht insbesondere aus Wolfram. Er besitzt an seiner
der Entladung zugewandten Seite eine Aufnahme (Höhlung) für das Insert.
Durch die Anwendung der Metallpulverspritzgußverfahrens kann auf eine
Lötverbindung zwischen Insert und Radiator und besonders bevorzugt auch
auf eine aufwendige mechanische Verbindung zwischen Radiator und Elektrodenschaft
gemäß der oben beschriebenen Wendeltechnik verzichtet werden.
Dabei kann als Insert ein übliches bekanntes massives Bauteil wie eingangs
beschrieben verwendet werden, dessen Emittergehalt beispielsweise
ca. 0,2 bis 5 Gew.-% beträgt. Außerdem kann der Radiator auch in dieser
Ausführungsform eine optimierte Gestalt hinsichtlich des Wärmeflußverhaltens
(ähnlich der ersten Ausführungsform) besitzen.
Der Vorteil der lötfreien Verbindung ist u.a., daß die im Entladungsvolumen
enthaltene Füllung nicht verunreinigt wird. Der als gespritzter Sinterkörper
ausgeführte Radiator schrumpft auf das Insert bzw. auf den Schaft auf.
Das Insert ist häufig zur Reduzierung der Bogenunruhe mit einem Emitter
(meist wird das radioaktive Thoriumoxid verwendet) in kleinen Mengen
(so.) dotiert. Beim Herstellen des Inserts fällt nur sehr wenig Abfall an, der
radioaktiv belastet ist, im Gegensatz zu der bisher fast ausschließlich verwendeten
einstückigen Kompakt-Elektrode.
Das Insert kann jetzt gegenüber bekannten Kompakt-Elektroden jedoch einen
deutlich geringeren Durchmesser aufweisen. Dadurch ist es möglich,
einen weitaus größeren Einfluß auf seine Gefügeausbildung zu nehmen als
bisher. Es ist jetzt sogar möglich, nahezu die theoretische Dichte des Elektrodenmaterials
zu erzielen. Dies führt zu einer Stabilisierung des Gefüges, insbesondere
zu einer Formstabilität auch bei hohen Temperaturen. Die Elektrodenspitze
kann somit thermisch höher belastet werden, was einer höheren
Strombelastung (Stromtragefähigkeit) entspricht (bis zu 15 %) bzw. einer
längeren Lebensdauer bei sehr geringer Bogenunruhe. Der Radiator kann
aus dem gleichen Material wie das Insert bestehen, vorteilhaft wird hier aber
das undotierte, reine Metall verwendet, bevorzugt W, Ta, Mo oder Re sowie
deren Legierungen.
Wegen der bei der MIM-Technik schon in der Fertigung endformnah vorgegebenen
Form wird die Automatisierung ermöglicht. Zudem fällt bei der
Formgebung des Wärmehaushalts-Körpers nahezu kein Abfall in Form von
Stäuben, Spänen etc. an im Gegensatz zur konventionellen Fertigung. Letztere
erfordert intensive Nachbearbeitung durch Drehen, Bohren, Schleifen und
dergleichen.
Der Radiator, der sich im Gegensatz zum Insert nicht in der thermischen
Hauptbelastungszone befindet, weist aufgrund der Verwendung der MIM-Technik
eine Dichte von mindestens 90% der theoretischen Dichte auf. Bevorzugt
liegt die Dichte über 95%, entsprechend einer Restporosität von <
5%. Eine wichtige Eigenschaft des derartig hochverdichteten Körpers ist, daß
seine Poren geschlossen und nicht untereinander verbunden sind. Sie weisen
also auch keine Verbindung zur Oberfläche auf.
Bei der Formgebung des Radiators kann zudem jetzt sehr einfach von der
Rotationssymmetrie abgewichen werden, indem eine entsprechende Spritzgußform
verwendet wird. Ein Beispiel ist eine elliptische Form des Radiators.
Diese trägt der Abstrahlungscharakteristik in einem asymmetrischen
(elliptischen) Entladungsgefäß Rechnung, wie es beispielsweise verwendet
wird, um den Bogenauftrieb bei horizontaler Brennlage zu berücksichtigen.
Die Fixierung des Inserts und der Stromzuführung (Elektrodenschaft) am
Radiator kann bevorzugt ohne zusätzliche Hilfen direkt beim gemeinsamen
Endsintern aller Komponenten durch Aufschrumpfen erfolgen. Somit entfallen
Verbindungstechniken wie Schweißen und Löten, die entsprechende
Schweiß- und Löthilfen benötigen. Denn weil der Radiator nach dem Metallspritzgußverfahren
hergestellt wird, können Insert und Stromzuführung
direkt mit dem Granulat des Radiators umspritzt werden. Somit erfolgt bereits
vor dem Sintern eine Fixierung. Im Falle, daß Insert und Elektrodenschaft
aus dem gleichen Werkstoff gewählt werden, können sie sogar durchgehend
als ein Stück in die Spritzgußform des Radiators eingesetzt werden,
was der Elektrode besondere Stabilität verleiht. Dies ist möglich bei Lampen,
deren Insert keinen Emitter benötigt.
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher
erläutert werden. Es zeigen:
- Figur 1
- ein Elektrodengestellteil für eine Quecksilberhochdrucklampe;
- Figur 2
- eine Elektrode mit optimiertem Wärmeflußverhalten für eine
hochbelastete Hochdruckentladungslampe;
- Figur 3
- eine Insert-Elektrode;
- Figur 4
- eine Anode, die als Insert-Elektrode ausgeführt ist;
- Figur 5
- eine Kathode, die als Insert-Elektrode ausgeführt ist
- Figur 6
- eine Lampe mit einer erfindungsgemäßen Elektrode.
Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist ein Gestellteil 1 zum Haltern einer konventionellen zylindrischen
Elektrode 4 (gestrichelt angedeutet), beispielsweise für eine Quecksilberhochdrucklampe,
gezeigt. Es besteht aus einem stabförmigen Schaft 2, an
dessen entladungsfernen Ende einstückig ein ringförmiges Bauteil 3 (sog.
Teller) angesetzt ist. Lampen mit derartigem Aufbau sind beispielsweise in
der EP-PS 479 089 (zu der US-PS 5 304 892 korrespondiert) beschrieben. Das
Gestellteil 1 ist als Baueinheit aus Wolfram oder Molybdän nach dem Metallpulverspritzgußverfahren
hergestellt. Bisher mußte dieses Gestellteil aus
zwei massiven Einzelteilen zusammengesetzt werden und dann aufwendig
mit Platin verlötet werden. Dabei besteht die Gefahr eines Bruchs an der
Nahtstelle. Als Alternative gab es bisher nur das aufwendige Drehen aus einem
massiven Rohling, bei dem sehr viel Abfall in Kauf genommen werden
mußte.
In Figur 2 ist eine einteilige Elektrode 5 für eine hochbelastete Hochdruckentladungslampe
gezeigt. Sie besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 9
und einem entladungsseitig angesetzten konischen Stumpf 8. Zur Optimierung
des Wärmeflußes weist der Grundkörper 9 eine Reihe von umlaufenden
Rillen 6 auf, die dafür sorgen, daß die Temperatur am Schaft 7 relativ
niedrig ist. Derartige Elektroden lassen sich jetzt für Xenonkurzbogenlampen,
Quecksilberhochdrucklampen, Metallhalogenidlampen und Natriumhochdrucklampen
maßschneidern. Die für den Wärmefluß optimierte Gestalt
der Elektrode kann durch Verwendung der MIM-Technik genau auf die Bedürfnisse
des jeweiligen Lampentyps abgestimmt werden.
In Figur 3 ist eine Insert-Elektrode 10 gezeigt. Sie besteht aus einem nach der
MIM-Technik hergestellten Radiator 11 aus Wolfram mit einer Höhlung an
der der Entladung zugewandten Seite, in die ein massives Insert 12 lötfrei
eingesetzt ist. Das Insert 12 besteht aus Wolfram mit einem Anteil von 2
Gew.-% ThO2. Der Radiator 11 weist zur Optimierung des Wärmeflußes relativ
weit hinten an der entladungsabgewandten Seite umlaufende Rillen 13a
auf sowie im vorderen Bereich einen umlaufenden Einstich 13b. Die InsertElektrode
10 besitzt folgende Abmessungen: der Außendurchmesser beträgt
10 mm, die Länge ist 18 mm.
In Figur 4 ist eine Anode 14 für Xenonkurzbogenlampen gezeigt. Sie besteht
aus einem Radiator 15, der als MIM-Bauteil, also nach dem Metallpulverspritzgußverfahren,
hergestellt ist und in Form eines zylindrischen WolframKörpers
mit entladungsseitiger Spitze ausgeführt ist. Im Bereich der Spitze
besitzt er eine Höhlung 16, in die ein emitterhaltiges Insert 17 lötfrei eingesetzt
ist. An seiner entladungsfernen Seite 18 besitzt er eine Bohrung 19, in
die ein Elektrodenschaft 20 aus massivem Wolfram eingesetzt ist. Die Anode
14 besitzt folgende Abmessungen: der Außendurchmesser beträgt 20 mm,
die Länge ist 35 mm.
Als Ersatz für eine Wendel-Elektrode zeigt Figur 5 eine zweiteilige Kathode
25 für eine Xenonkurzbogenlampe. Diese ist wesentlich zierlicher ausgeführt
als die Anode. Ein Radiator 26, der mittels Metallpulverspritzgußverfahren
aus dotiertem, emitterhaltigem Wolfram hergestellt ist, läuft vorne konisch
zu. Er besitzt eine durchgehende Bohrung 27, in die ein Schaft 28 lötfrei eingesetzt
ist. Ein Insert 29 steht am Radiator 26 entladungsseitig über. Insert 29
und Schaft 28 sind durchgehend aus einem Stück (massives undotiertes
Wolfram) gefertigt. Dieses einstückige Bauteil wird in die Spritzgußform für
den Radiator eingesetzt, bevor das Granulat für den Radiator eingespritzt
wird. Auf diese Weise kommt diese Kathode ohne jegliche Befestigungsmittel
(Lot oder Wendel) aus. Die Kathode 25 besitzt folgende Abmessungen:
der Außendurchmesser beträgt 2,5 mm, die Länge ist 3 mm.
Fig. 6 zeigt als Anwendungsbeispiel eine Metallhalogenidlampe 32 mit einer
Leistung von 150 W. Sie besteht aus einem Quarzglasgefäß 33, das eine Metallhalogenidfüllung
enthält. An ihren beiden Enden sind äußere Stromzuführungen
34 und Molybdänfolien 35 in Quetschungen 36 eingebettet. An
den Molybdänfolien 35 sind die Schäfte 37 von zylindrischen, mittels Metallpulverspritzgußverfahren
hergestellten Elektroden 38 befestigt. Letztere ragen
in das Entladungsgefäß 32 hinein. Die beiden Enden des Entladungsgefäßes
sind jeweils mit einer wärmereflektierenden Beschichtung 40 aus Zirkonoxid
versehen.