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EP0917179A2 - Elektrodenbauteil für Entladungslampen - Google Patents

Elektrodenbauteil für Entladungslampen Download PDF

Info

Publication number
EP0917179A2
EP0917179A2 EP98117203A EP98117203A EP0917179A2 EP 0917179 A2 EP0917179 A2 EP 0917179A2 EP 98117203 A EP98117203 A EP 98117203A EP 98117203 A EP98117203 A EP 98117203A EP 0917179 A2 EP0917179 A2 EP 0917179A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode component
electrode
component according
insert
injection molding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98117203A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0917179A3 (de
Inventor
Bernhard Dr. Altmann
Alfred-Georg Dr. Gahn
Dietmar Illig
Peter Dr. Schade
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Publication of EP0917179A2 publication Critical patent/EP0917179A2/de
Publication of EP0917179A3 publication Critical patent/EP0917179A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps

Definitions

  • the invention is based on an electrode component for discharge lamps according to the preamble of claim 1. It can be particularly are electrodes for high-pressure discharge lamps, such as, for example can be used for photo-optical purposes. On the other hand, can the invention but also for individual parts of electrodes or for Frame parts holding electrodes, for example shaft parts for electrodes, be used. These parts are in the following under the term components summarized for electrodes.
  • Electrodes and components for electrodes are usually used in lamp construction made of a high-melting metal such as tungsten or molybdenum or also made tantalum.
  • the electrode is almost always solid, i.e. she is manufactured by powder metallurgy and using rolling, hammering and drawing processes been deformed. The application of a sintered body could not the high costs so far not enforce.
  • a disadvantage of solid electrodes is that complicated electrode shapes, such as would be necessary for optimal heat design, not with these known electrode structures or only with a lot of machining Effort and therefore with high additional consumption (up to more than 50% Waste) can be produced.
  • Electrode materials are also composed of two components for certain purposes. They are often referred to as combination or insert electrodes. From scripture Electrode materials based on refractory metals ", ed. VEB Narva, Berlin, 1976, pp. 183 to 189, electrodes are already known which consist of two components. Anodes are shown in FIG. 55a and in FIG. 56c, d Cathodes, each described for xenon short-arc lamps These electrodes consist of a conventional sintered body (radiator) made of tungsten, which serves as a heat household body A power supply in the form of a tungsten pin is sintered into a bore in the radiator by means of a helix.
  • radiator sintered body
  • Such electrodes are rarely used because the elaborate processing of the heat household body, namely the manufacture a receptacle for inserting an insert, uneconomical and is difficult.
  • electrodes with an emitter additive are necessary.
  • an emitter additive mostly oxides of thorium, alkaline earth metals or rare earth metals, in particular of lanthanum
  • the known manufacturing processes described above each require a very high degree of mechanical processing.
  • that for processing becomes necessary property of deformability limited. Therefore was So far it has not been desired to set the emitter content relatively high (approx. 3-5%). Instead, you had to deal with complicated constructions help to still achieve a high emitter content. For example is the use of a slid on the electrode Helix known, being in the cavities between the individual turns an emitter-containing paste is introduced into the coil.
  • a complicated shape should be possible become.
  • the structural stability of the electrode in the thermal highly stressed area at the tip of the electrode can be improved.
  • There is also an improvement in bow restlessness and an extension of the lifespan is desired.
  • the electrode components are made by a metal powder injection molding process manufactured.
  • This technique better known as the English Acronym MIM (Metal Injection Molding) has long been known per se. However, it has never been used in lamp construction.
  • the metal powder injection molding process (see, for example, US Pat. No. 4,765,950 and US Pat. No. 4,113,480) combines the freedom of shaping in the known plastic injection molding with the wide range of materials available in powder metallurgy. It enables the direct production of very complex shaped components in near-net shape production ( near net shaping ”) while avoiding machining post-processing. Furthermore, the manufacturing process can now be automated.
  • a suitable one Metal powder is mixed with so much plastic (the so-called binder) that this mixture, which is in the form of granules, the flow properties of the plastic accepts and processed further in the same way as for plastic injection molding can by placing in an injection mold with the contour of the desired future component is introduced. Then a metallic component obtained, the green body is removed from the injection mold; the binder is then removed from the so-called by heat or by solvent. Green body removed. This process is known as dewaxing. Then the component is made according to classic powder metallurgy to a component of very high density (at least 90% by volume, preferred 95% and more) sintered. The residual porosity of at most 10% or 5% should preferably be present as closed pores.
  • the sintering activity of the metal powder used must be sufficient be high to achieve a high sintering density. Therefore be very fine Metal powder with small average grain sizes (less than 20 ⁇ m, preferably less than 2 ⁇ m) is used.
  • Electrode components for discharge lamps according to the invention are made of high temperature resistant metal. It is particularly suitable Tungsten, molybdenum, tantalum, rhenium or alloys thereof, but also carbides of these metals, especially tantalum carbide (TaC).
  • TaC tantalum carbide
  • the electrodes were made from blanks with appropriate Dimensions produced by turning, grinding, drilling, etc. Possibly is achieved through suitable manufacturing processes such as rollers and hammers additional deformation work introduced to ensure structural stability to increase the electrode materials.
  • the doping is preferably carried out to stabilize the structure with elements such as K, Al and Si and additionally with oxides, Carbides, borides, nitrides and / or the pure metals (or their alloys) of rare earth elements, the lanthanoids, the actinoids, e.g. La, Ce, Pr, Nd, Eu, Th, but also Sc, Ti, Y, Zr, Hf. They are not only used for Structural stabilization, but also to lower the electron work function.
  • metal powder injection molding processes are used one-piece electrodes, in particular made of Tungsten, manufactured, the injection mold have complex contours can. It can be high density bodies with typically 98% (even up to more than 99%) of the theoretical density, which is already shaped close to the final shape are. This is in particular an optimization of the heat flow behavior of electrodes possible, in particular by the electrode being suitably shaped Constrictions (punctures) and grooves or similar having. So far, has had for such Electrodes a drop of up to about 60% can be accepted. The use of the metal powder injection molding process, however, allows the Limit waste to a few percent. In addition, can now be optimized Shapes can be realized that were previously impossible to produce.
  • individual electrode components that were produced by means of metal powder injection molding.
  • electrode frame parts for holding electrodes for example electrode shafts, especially made of molybdenum or tungsten.
  • the electrode component according to the invention intended for an insert electrode.
  • the insert electrodes consist of several (usually two) components.
  • an insert as the electrode tip (Insert).
  • the radiator consists in particular of tungsten. He owns his a side (cavity) for the insert on the side facing the discharge.
  • the emitter content for example is about 0.2 to 5 wt .-%.
  • the radiator can also be used in this Embodiment an optimized shape with regard to the heat flow behavior (similar to the first embodiment).
  • the advantage of the solderless connection is, among other things, that in the discharge volume contained filling is not contaminated.
  • the as a molded sintered body executed radiator shrinks onto the insert or onto the shaft.
  • the insert is often used to reduce sheet unrest with an emitter (mostly radioactive thorium oxide is used) in small quantities (see above). Very little waste is produced during the production of the insert is radioactive, in contrast to the one used almost exclusively up to now one-piece compact electrode.
  • the insert can now have one compared to known compact electrodes have a significantly smaller diameter. This makes it possible to have a far greater influence on his structure than so far. It is now even possible to almost match the theoretical density of the electrode material to achieve. This leads to a stabilization of the structure, in particular for dimensional stability even at high temperatures.
  • the electrode tip can thus be subjected to higher thermal loads, which is higher Current load (current carrying capacity) corresponds to (up to 15%) or one longer lifespan with very little bow unrest.
  • the radiator can consist of the same material as the insert, but is advantageous here the undoped, pure metal used, preferably W, Ta, Mo or Re as well their alloys.
  • the radiator unlike the insert, is not in the thermal Main stress zone is located due to the use of MIM technology a density of at least 90% of the theoretical density. Prefers the density is over 95%, corresponding to a residual porosity of ⁇ 5%. An important property of such a high density body is that its pores are closed and not interconnected. You point so no connection to the surface.
  • Rotational symmetry can be deviated by using an appropriate injection mold is used.
  • An example is an elliptical shape of the radiator. This carries the radiation characteristic in an asymmetrical (Elliptical) discharge vessel bill, as used for example is to take into account the sheet lift in the horizontal burning position.
  • the fixation of the insert and the power supply (electrode shaft) on Radiator can preferably do so without additional help when sharing Final sintering of all components is done by shrinking. This eliminates Joining techniques such as welding and soldering, the corresponding Need welding and soldering aids. Because because the radiator uses the metal injection molding process is manufactured, insert and power supply overmolded directly with the granules of the radiator. So it is already done a fixation before sintering. In the event that insert and electrode shaft made of the same material, they can even be used continuously be inserted as one piece into the injection mold of the radiator, which gives the electrode particular stability. This is possible with lamps whose insert does not require an emitter.
  • Figure 1 is a frame part 1 for holding a conventional cylindrical Electrode 4 (indicated by dashed lines), for example for a high-pressure mercury lamp, shown. It consists of a rod-shaped shaft 2, the distal end of the discharge in one piece an annular component 3 (so-called. Plate) is attached. Lamps with such a structure are for example in EP 479,089 (corresponding to US Pat. No. 5,304,892).
  • the Frame part 1 is a structural unit made of tungsten or molybdenum according to the metal powder injection molding process manufactured. So far, this part of the frame had to two massive individual parts are assembled and then expensive to be soldered with platinum. There is a risk of breaking the Interface. As an alternative, there was previously only the complex turning from one massive blank, in which a lot of waste is accepted had to.
  • FIG. 2 shows a one-piece electrode 5 for a highly loaded high-pressure discharge lamp shown. It consists of a cylindrical base body 9 and a conical stump 8 attached on the discharge side. For optimization of the heat flow, the base body 9 has a series of rotating Grooves 6, which ensure that the temperature on the shaft 7 relative is low.
  • Such electrodes can now be used for xenon short arc lamps, High pressure mercury lamps, metal halide lamps and high pressure sodium lamps tailor-made. The shape optimized for the heat flow The electrode can be tailored to the needs by using the MIM technology of the respective lamp type.
  • An insert electrode 10 is shown in FIG. It consists of a radiator 11 made of tungsten using the MIM technique, with a cavity on the side facing the discharge, into which a solid insert 12 is inserted without soldering.
  • the insert 12 consists of tungsten with a proportion of 2% by weight of ThO 2 .
  • the radiator 11 has circumferential grooves 13a on the side facing away from the discharge and a circumferential groove 13b in the front area.
  • the insert electrode 10 has the following dimensions: the outer diameter is 10 mm, the length is 18 mm.
  • FIG. 4 shows an anode 14 for xenon short-arc lamps.
  • she consists from a radiator 15, which as a MIM component, that is to say according to the metal powder injection molding process, is produced and in the form of a cylindrical tungsten body is designed with a discharge-side tip. In the area of the top it has a cavity 16 into which an emitter-containing insert 17 is inserted without soldering is. On its side 18 remote from the discharge, it has a bore 19, in an electrode shaft 20 made of solid tungsten is used.
  • the anode 14 has the following dimensions: the outer diameter is 20 mm, the length is 35 mm.
  • FIG. 5 shows a two-part cathode 25 for a xenon short arc lamp.
  • a radiator 26 made using metal powder injection molding Made of doped, emitter-containing tungsten, is tapered at the front to. It has a through bore 27 into which a shaft 28 is inserted without soldering is.
  • An insert 29 projects from the radiator 26 on the discharge side. Insert 29 and shaft 28 are made of one piece throughout (solid undoped Tungsten). This one-piece component is used in the injection mold the radiator is inserted before the granules are injected for the radiator becomes. In this way, this cathode comes without any fasteners (Plumb or spiral).
  • the cathode 25 has the following dimensions: the outer diameter is 2.5 mm, the length is 3 mm.
  • FIG. 6 shows an example of use of a metal halide lamp 32 with a Power of 150 W. It consists of a quartz glass vessel 33, which is a metal halide filling contains. There are external power supplies at both ends 34 and molybdenum foils 35 embedded in bruises 36. On The molybdenum foils 35 are the shafts 37 of cylindrical, by means of metal powder injection molding produced electrodes 38 attached. The latter protrude into the discharge vessel 32. The two ends of the discharge vessel are each with a heat reflective coating 40 made of zirconium oxide Mistake.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Elekrodenbauteil ist mittels Metallpulverspritzgußverfahren hergestellt. Dadurch können komplexe Formen für die Elektrode realisiert werden. <IMAGE>

Description

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
Figure 00020001
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.

Claims (12)

  1. Elektrodenbauteil für Entladungslampen, gefertigt aus hochtemperaturbeständigem Metall, insbesondere aus Wolfram, Molybdän, Tantal, Rhenium oder Legierungen sowie auch Carbiden dieser Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenbauteil nach dem Metallpulverspritzgußverfahren hergestellt ist.
  2. Elektrodenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße des Pulvers unter 20 µm, bevorzugt unter 2 µm, liegt.
  3. Elektrodenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Elektrodenbauteils mindestens 90% der theoretischen Dichte, bevorzugt mindestens 95% der theoretischen Dichte, beträgt.
  4. Elektrodenbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Restporosität geschlossen ist.
  5. Elektrodenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenbauteil ein Elektrodengestellteil (1), insbesondere aus Molybdän oder Wolfram, ist.
  6. Elektrodenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenbauteil eine Elektrode (5), insbesondere aus Wolfram, ist, die einstückig ist und so geformt ist, daß ihr Wärmeflußverhalten optimiert ist.
  7. Elektrodenbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5) umlaufende Rillen (13a) und/oder Einstiche (13b) aufweist.
  8. Elektrodenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenbauteil ein Radiator (11), insbesondere aus Wolfram, ist, der an der der Entladung zugewandten Seite eine Höhlung besitzt, in die ein Insert (12) eingesetzt ist.
  9. Elektrodenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenbauteil eine mehrteilige Elektrode (14;15) ist, bei der mindestens eines der Einzelteile gemäß Metallpulverspritzgußverfahren hergestellt sind.
  10. Elektrodenbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mittels Metallpulverspritzgußverfahren hergestellte Einzelteil mit mindestens einem der anderen Teile lötfrei verbunden ist.
  11. Elektrodenbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mittels Metallpulverspritzgußverfahren hergestellte Einzelteil (26) einen Schaft (28) und ein Insert (29) umgibt, wobei Schaft und Insert aus einem einzigen Teil bestehen.
  12. Lampe (32) mit einem Elektrodenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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