WO2011085839A2 - Keramische elektrode für eine hochdruckentladungslampe - Google Patents

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    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
    • H01J61/0735—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode
    • H01J61/0737—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode characterised by the electron emissive material

Definitions

  • the invention is based on a ceramic electrode for a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • Sintered electrodes as such based on metals are previously known from US 6 218 025. From US 6 232718 and EP 1265 264 ceramic electrodes are known which use nitridic or oxidic material.
  • a ceramic electrode which is designed as a layer and is made of LaE> 6 or CeE> 6.
  • Such a layer electrode is produced by means of LTTC.
  • the object of the present invention is to provide a loading Kera ⁇ mix electrode for a high pressure discharge lamp ride, which has a low electron work function.
  • the novel electrode of the invention is a ceramic electrode having a shank and a head on it buildin ⁇ saturated.
  • the head is cylindrical or similar.
  • the head is designed either completely or in its outer layer of boride.
  • the per se known LaB 6 or borides of Ce, Y, Yb is suitable.
  • such materials are known in the lamp industry, but usually as an electron-emissive layer. So far, the possibility of forming a massive body has never been considered.
  • These materials can be used as a ceramic solid or ceramic layer for the head. Also suitable as a coating are other materials listed in Tab.
  • Typical layer thicknesses for such ceramic layers are in the range of 1 to 100 ⁇ m.
  • ceramic hollow bodies mostly of Al 2 O 3 (PCA) are used for the discharge vessel of a high-pressure discharge lamp. They are usually made by low-pressure Einsprit zen in an appropriate form. Two half-shells produced in this way, on which capillaries are attached, are welded together in green and then sintered in a gastight manner. The electrode systems are melted by means of glass solder into the Kapilla ⁇ reindeer, after a usually metal halides containing filling was introduced. Typically, the electrode heads made of metal are ge ⁇ manufactures having the highest possible melting point.
  • Tungsten which has an electron work function of 4.54 eV is suitable.
  • the temperature at the tip of the electrode reaches approximately 3100 K during operation.
  • the discharge vessel is covered with electrodes.
  • One or two electrodes can be used. These can be designed with a full-surface layer on the head, which preferably consists of LaB6.
  • the head of the electrode has a substantially rounded or tapered shape.
  • Table 3 compares important characteristics of previously known and inventive embodiments of electrodes, for example with reference to tungsten and LaB 6 .
  • the eV to about 2 lower work function of LaB 6 ge ⁇ genüber tungsten leads to an experimentally determined temperature reduction at the tip of the electrode at about 1300 K compared to tungsten, on which it is typical value of 3100 K.
  • a material such as LaB6 is korrosionsbestän ⁇ dig against rare earth iodides as a component of the filling. This further increases the service life. Overall, therefore, give advantage by lower operating temperature, reduced thermal losses hö ⁇ here efficiency, save electricity, low color spread, higher reliability, high speed Bestän ⁇ against corrosion.
  • a filling which is free of mercury can be used.
  • a concrete method of applying a coating is the sol-gel method known per se.
  • carbides of Ta and / or Hf thin coating layers of per se highly heat-resistant bodies of metals such as tungsten are possible.
  • the main body of tungsten, etc. in solutions of precursors, which then lead to the formation of carbides, are dipped.
  • the electrode heads are llibrary pyro- in egg ⁇ nem furnace at temperatures 1800-2100 ° C and the coating permanently bonded to the base body.
  • This provides a cost-effective coating process. This can be integrated effortlessly into the existing Fer ⁇ actuation line.
  • sol-gel process allows a wide variability in the layer thickness of a few nm to tens of eini ⁇ gen ym.
  • solid ceramic body is possible.
  • fibers from a material such as (TaO, 9Hf0, 1) C is possible.
  • FIG. 1 discharge vessel with two electrodes
  • FIG. 2 shows an electrode with a ceramic head
  • FIG. 3 shows an electrode as a solid body
  • Figure 4 is an electrode with coating in rounded
  • Figure 5 and 6 an electrode with coating in tapered shape.
  • FIG. 1 shows a ceramic discharge vessel 1 with a cylindrical central part 2 and two capillaries 3. A filling with metal halides is introduced into the cavity 4 of the middle part.
  • an electrode system 5 is sealed by means of glass solder.
  • the electrode system 5 has an external power supply 6, a feedthrough 7 and an electrode 8.
  • the electrode has a shaft 9 and a head 10.
  • Figure 2 shows an electrode 8 in detail. It has a shaft 9 made of tungsten, on which a cylindrical head 10 from LaB 6 sits.
  • the head is made of ceramic.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an electrode 8.
  • the head 10 is made up of a base body 11 made of tungsten, which is surrounded on the outside by a ceramic layer 12 of YBe.
  • a ceramic layer 12 of YBe Alternatively, in particular Tao, 9 Hf 0 , iC is used here.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which the entire electrode 8, head 9 and shaft 10, is made of a ceramic material, namely TaC.
  • FIG. 5 shows an electrode 8, in which the head 10 consists of main body 11 and outer layer 12. The main body 11 is cylindrical and has a rounded tip 15. The head is de charge side with a layer 12 of CeB 6 covered.
  • FIG. 6 shows an electrode 8, in which the head 10 tapers towards the tip in a conical manner .
  • the main body 11 is made of tungsten.
  • a layer 12 of YbE> 6 is applied.
  • Essential features of the invention in the form of a nume ⁇ tured list are:
  • electrode for a high-pressure discharge lamp which consists of shaft and mounted thereon head, wherein at least a portion of the head consists of ceramic material, characterized in that the ke ⁇ ramische material is a boride or carbide.
  • An electrode according to claim 1 characterized in that at least one layer is arranged on a base body made of metal.
  • An electrode according to claim 2 characterized in that the layer consists of at least one of the borides of La, Y, Yb or Ce or at least one of the carbides of Ta or Hf.
  • An electrode according to claim 1 characterized in that the head is made entirely of ceramic material.
  • An electrode according to claim 2 characterized in that the layer is prepared according to sol-gel technique.

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Abstract

Die keramische Elektrode hat einen Schaft und einen Kopf, wobei zumindest ein Teil des Kopfes aus keramischem Material gefertigt ist, insbesondere LaB6 oder Carbiden des HF und/oder Tantal.

Description

Titel : Keramische Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer keramischen Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der JP-OS 1 086 439 ist eine Elektrode aus LaE>6 be- kannt .
Aus der JP-OS 63-019750 ist eine mit LaE>6 beschichtete Elektrode bekannt.
Sinterelektroden als solche auf Basis von Metallen sind aus US 6 218 025 vorbekannt. Aus der US 6 232718 und EP 1265 264 sind keramische Elektroden vorbekannt, die nitridisches oder oxidisches Material verwenden.
Aus der PCT/EP2009/064961 ist eine keramische Elektrode bekannt, die als Schicht gestaltet ist und aus LaE>6 oder CeE>6 gestaltet ist. Eine derartige Schicht-Elektrode wird mittels LTTC hergestellt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kera¬ mische Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe be- reit zustellen, die eine niedrige Elektronenaustrittsarbeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk¬ male des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße neuartige keramische Elektrode ist eine Elektrode, die einen Schaft und einen darauf befes¬ tigten Kopf aufweist. Insbesondere ist der Kopf zylind- risch o.ä gestaltet.
Der köpf ist dabei entweder vollständig oder in seiner äußeren Schicht aus Borid gestaltet. Insbesondere eignet sich das an sich bekannte LaB6 oder Boride des Ce, Y, Yb . Zwar sind derartige Materialien im Lampenbau bekannt, je- doch meist als elektronenemissive Schicht. Bisher wurde nie die Möglichkeit einer Bildung eines massiven Körpers daraus in Betracht gezogen.
Als Beschichtung aus keramischen Material eignet sich als Herstellprozess der an sich bekannte Sol-Gel-Prozess . Boride des La, Ce, Y, Yb haben relativ hohe Schmelzpunk¬ te, wie es für eine Elektrode wichtig ist. Er liegt im Bereich von 2500 bis 2600 °C. Gleichzeitig ist die Elekt¬ ronenaustrittsarbeit relativ niedrig, siehe Tab. 1. Tab. 1
Figure imgf000005_0001
Diese Materialien können als keramisches Vollmaterial oder keramische Schicht für den Kopf verwendet werden. Als Beschichtung eignen sich auch andere Materialien, die in Tab. 2 aufgeführt sind.
Tab. 2
Figure imgf000005_0002
Es handelt sich dabei um Carbide des Ta und/oder Hf, wo- bei die besten Ergebnisse mit einer Mischung aus beiden Carbiden erzielt werden, wobei der Anteil des Hf im Be- reich von 10 bis 20 Mol.-% liegen sollte, da hier einerseits die niedrigste Aus tritt sarbeit und andererseits der höchst Schmelzpunkt erreicht wird.
Typische Schichtdicken für derartige keramische Schichten liegen im Bereich von 1 bis 100 ym.
Insbesondere können auch mehrere Schichten aus verschie¬ denen Materialien verwendet, wobei insbesondere das Mate¬ rial mit der niedrigen Austrittsarbeit an der Oberfläche liegen sollte. Nach dem Stand der Technik werden keramische Hohlkörper, meist aus A1203 (PCA) , für das Entladungsgefäß einer Hochdruckentladungslampe verwendet. Sie werden meist durch Niederdruck-Einsprit zen in eine entsprechende Form hergestellt. Zwei so gefertigte Halbschalen, an denen Ka- pillaren angesetzt sind, werden grün miteinander verschweißt und dann gasdicht versintert. Die Elektrodensysteme werden mittels Glaslot in die Kapilla¬ ren eingeschmolzen, nachdem eine meist Metallhalogenide enthaltende Füllung eingebracht wurde. Üblicherweise werden die Elektroden-Köpfe aus Metall ge¬ fertigt, das einen möglichst hohen Schmelzpunkt aufweist. Geeignet sind Wolfram, das eine Elektronenaustrittsarbeit von 4,54 eV besitzt. Die Temperatur an der Elektrodenspitze erreicht im Betrieb ca. 3100 K. Typisch ist das Entladungsgefäß mit Elektroden behaftet ist. Es können eine oder zwei Elektroden verwendet werden. Dabei können diese mit einer vollflächigen Schicht am Kopfgestaltet sein, die bevorzugt aus LaB6 besteht. Bevorzugt hat der Kopf der Elektrode eine im wesentlichen abgerundete oder spitz zulaufende Gestalt.
In Tab. 3 sind wichtige Kenngrößen vorbekannter und erfindungsgemäßer Ausführungen von Elektroden beispielswei- se anhand von Wolfram und LaB6 miteinander verglichen.
Figure imgf000007_0001
Die um etwa 2 eV niedrigere Austrittsarbeit von LaB6 ge¬ genüber Wolfram führt zu einer experimentell bestimmten Temperaturerniedrigung an der Spitze der Elektrode um et- wa 1300 K gegenüber Wolfram, bei dem er typische Wert 3100 K beträgt.
Dies führt zu vergleichbaren Abdampfraten wie bei Wolfram, aber aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit und der niedrigeren Betriebstemperatur zu deutlich geringeren thermischen Verlusten, was gleichbedeutend mit höherer Effizienz ist. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Energieeintrag, insbesondere durch Abwärme, in die Durchführung reduziert ist. Durch die niedrigere Arbeitstemperatur oder Betriebstemperatur und dem Umstand, dass LaE>6 einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Wolfram hat, der erheblich näher an dem von A1203 liegt (PCA hat 8,3 10- 6/K) ergibt sich die Möglichkeit für eine deutlich kürze¬ re Baulänge der Lampen, weil die Kapillare in ihrer Länge reduziert werden kann. Ein weiterer damit verbundener positiver Effekt resultiert in einem verringerten Totraumvolumen . Dies wiederum führt zu geringerer Farbstreuung und höherer Lebensdauer.
Hinzu kommt, dass ein Material wie LaB6 korrosionsbestän¬ dig gegen Seltenerd-Jodide als Bestandteil der Füllung ist. Dadurch wird die Lebensdauer weiter erhöht. Insgesamt ergeben sich also Vorteil durch die niedrigere Betriebstemperatur, verringerte thermische Verluste, hö¬ here Effizienz, Einsparung von elektrischer Energie, geringe Farbstreuung, höhere Zuverlässigkeit, hohe Bestän¬ digkeit gegen Korrosion. Insbesondere kann eine Füllung verwendet werden, die frei von Quecksilber ist.
Ein konkretes Verfahren zum Anbringen einer Beschichtung ist das an sich bekannte Sol-Gel-Verfahren . Mit der Herstellung von Carbiden des Ta und/oder Hf sind dünne Be- Schichtungen von an sich hochwärmebeständigen Grundkörpern aus Metallen wie Wolfram möglich. Dabei können die beispielsweise die Grundkörper aus Wolfram etc. in Lösungen von Precursoren, die dann zur Bildung der Carbide führen, getaucht werden. Die Lösung, die schließlich nach Umwandlung des Precursors beispielsweise (Ta,Hf)C ent¬ hält, kann dann nach Verlassen des Tauchbads an dem Kopf gelieren und ggf. unter Zufuhr von Wärme aushärten. In diesem letzten Schritt werden die Elektrodenköpfe in ei¬ nem Ofen bei Temperaturen zwischen 1800 und 2100°C pyro- lisiert und die Beschichtung dauerhaft an den Grundkörper gebunden .
Des weiteren können von derartigen Beschichtungsmateria- lien auch keramische Vollkörper als Alternative herge¬ stellt werden. Es können auch Fasern gezogen werden, die dann zu Keramik weiterverarbeitet werden.
Dies bietet viele Möglichkeiten für die Gestaltung der Geometrie der Elektroden.
Damit steht ein kostengünstiger Beschichtungsprozess zur Verfügung. Dieser ist ohne Aufwand in die vorhandene Fer¬ tigungslinie integrierbar.
Die Anwendung eines Sol-Gel-Prozesses erlaubt eine weite Variabilität in der Schichtdicke von wenigen nm bis eini¬ gen -zig ym. Außerdem ist damit sogar die Herstellung keramischer Vollkörper möglich. Insbesondere ist auch die Herstellung von Fasern aus einem Material wie (TaO, 9Hf0, 1) C möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen: Fig. 1 Entladungsgefäß mit zwei Elektroden;
Figur 2 eine Elektrode mit keramischem Kopf; Figur 3 eine Elektrode als Vollkörper;
Figur 4 eine Elektrode mit Beschichtung in abgerundeter
Form;
Figur 5 und 6 eine Elektrode mit Beschichtung in spitz zulaufender Form.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt ein keramisches Entladungsgefäß 1 mit einem zylindrischen Mittelteil 2 und zwei Kapillaren 3. Im Hohlraum 4 des Mittelteils ist eine Füllung mit Metallha- logeniden eingebracht. In der Kapillare 3 ist jeweils ein Elektrodensystem 5 mittels Glaslot abgedichtet. Das Elektrodensystem 5 weist eine äußere Stromzuführung 6, eine Durchführung 7 und eine Elektrode 8 auf. Die Elektrode hat einen Schaft 9 und einen Kopf 10. Figur 2 zeigt eine Elektrode 8 im Detail. Sie hat einen Schaft 9 aus Wolfram, auf dem ein zylindrischer Kopf 10 aus LaB6 sitzt. Der Kopf ist aus Keramik.
Figur 3 zeigt ein zweites Aus führungsbe i spi e 1 einer Elektrode 8. Hier ist der Kopf 10 aus einem Grundkörper 11 aus Wolfram aufgebaut, der außen von einer keramischen Schicht 12 aus YBe umgeben ist. Alternativ wird hier insbesondere Tao,9Hf0,iC verwendet.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die ganze Elektrode 8, Kopf 9 und Schaft 10, aus einem keramischen Material, nämlich TaC, gefertigt ist. Figur 5 zeigt eine Elektrode 8, bei der der Kopf 10 aus Grundkörper 11 und äußerer Schicht 12 besteht. Der Grundkörper 11 ist zylindrisch und hat eine abgerundete Spitze 15. Der Kopf ist ent ladungsseitig mit einer Schicht 12 aus CeB6 bedeckt.
Figur 6 zeigt eine Elektrode 8, bei der Kopf 10 kegelför¬ mig zur Spitze hin zuläuft. Der Grundkörper 11 ist aus Wolfram. Auf der Schräge des Kegels ist eine Schicht 12 aus YbE>6 aufgebracht. Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer nume¬ rierten Aufzählung sind:
1. Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, die aus Schaft und darauf aufgesetztem Kopf besteht, wobei zumindest ein Bereich des Kopfes aus keramischem Ma- terial besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das ke¬ ramische Material ein Borid oder Carbid ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht auf einem Grundkörper aus Metall angeordnet ist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus mindestens einem der Boride des La, Y, Yb oder Ce oder mindestens einem der Carbide des Ta oder Hf besteht.
4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf vollständig aus keramischem Material gefertigt ist.
5. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht gemäß Sol-Gel-Technik hergestellt ist . Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Schaft aus keramischem Material gefertigt ist.

Claims

Ansprüche
1. Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, die aus Schaft und darauf aufgesetztem Kopf besteht, wobei zumindest ein Bereich des Kopfes aus keramischem Ma¬ terial besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das ke- ramische Material ein Borid oder Carbid ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht auf einem Grundkörper aus Metall angeordnet ist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus mindestens einem der Boride des
La, Y, Yb oder Ce oder mindestens einem der Carbide des Ta oder Hf besteht.
4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf vollständig aus keramischem Material gefertigt ist.
5. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht gemäß Sol-Gel-Technik hergestellt ist .
. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Schaft aus keramischem Material gefertigt ist.
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