DE19652822A1

DE19652822A1 - Sinterelektrode

Info

Publication number: DE19652822A1
Application number: DE19652822A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr Fromm; Bernhard Dr Altmann; Wolfram Dr Graser; Peter Schade
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 1998-06-25
Also published as: DE59711260D1; CN1123053C; JP2000505939A; CA2246517C; CN1211341A; HUP9901361A2; EP0882307A1; US6218025B1; CA2246517A1; WO1998027575A1; HUP9901361A3; KR19990082364A; HU223302B1; EP0882307B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Sinterelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um eine Sinterelektrode für Hoch druckentladungslampen wie beispielsweise Metallhalogenidlampen oder Natriumhochdruckentladungslampen.

Stand der Technik

Aus der DE-OS 42 06 909 ist ein thermionisch emittierendes Kathodenele ment für Vakuumelektronenröhren bekannt, das aus sphärischen Partikeln mit einer mittleren Korngröße unter 1 µm hergestellt ist. 5 bis 90% des Ge samtvolumens der Sinterelektrode bestehen aus ungefüllten, zur Umgebung hin offenen Poren. Die Abstände zwischen benachbarten Partikeln (Körnern) sind kleiner als 1 µm.

Aus der US-A 3 244 929 ist eine Sinterelektrode bekannt, die neben Wolfram Anteile an Emittermaterial wie Oxide des Aluminium, Barium, Calcium oder Thorium enthält. Der Sinterkörper sitzt auf einem festen Kernstift aus massivem Material.

Aus der US-A 5 418 070 ist eine Kathode bekannt, die aus einer porösen Wolfram-Matrix besteht, in deren Poren Emittermaterial eingebaut ist. Die Herstellung der Poren erfolgt, indem der Grünkörper der Matrix mit flüssi gem Kupfer gefüllt wird, das später wieder herausgelöst wird. Der Nachteil dieser Methode ist, daß die Poren unregelmäßig geformt sind und ihre Ei genschaften undefiniert sind. Die Herstellung ist kompliziert und zeitauf wendig.

Aus der DD-PS 292 764 ist ein Cermet-Sinterkörper bestehend aus einer Mi schung aus Wolfram und Thoriumoxid bzw. Erdalkalioxid bekannt, bei dem die Porosität des Sinterkörpers durch die definierte Verwendung eines Bin demittels bei der Herstellung gesteuert wird. Die Teilchengröße des Cermet pulvers liegt bei 80 bis 550 µm.

Ein großes Problem bei bekannten Sinterelektroden ist, daß deren Porosität nicht über die Lebensdauer konstant bleibt, da der Sinterprozeß aufgrund der hohen Temperaturbelastung während des Betriebs der Elektrode weiter voranschreitet. Deshalb haben derartige Lampen eine schlechte Maintenance während der Lebensdauer.

Wegen dieses gravierenden Nachteils haben sich Sinterelektroden bisher nicht auf breiter Front durchsetzen können. Vielmehr war man bisher darauf angewiesen, Wendelelektroden mit einem Kernstift aus thoriertem Wolfram oder Stiftelektroden aus thoriertem Wolfram einzusetzen. Die Herstellung erfolgte bisher jeweils aus kompaktem massivem Material.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sinterelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die auf Thorium verzichtet und die eine längere Lebensdauer erreicht sowie eine geringere Bogenunruhe zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängi gen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Sinterelektrode für Hochdruckentladungslampen besteht aus einem Sinterkörper aus einem der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Tantal, Osmium, Iridium, Molybdän oder Rhenium oder einer Le gierung dieser Metalle. Zusätzlich kann das Metall eine an sich bekannte oxidische Dotierung (bis zu 5 Gew.-%) zugesetzt werden, zum Beispiel ein Oxid des Lanthan oder Yttrium.

Der Sinterkörper ist aus einem im wesentlichen sphärischen Pulver des Me talls bzw. der Legierung hergestellt, deren mittlere Korngröße zwischen 2 und 100 µm beträgt, wobei die Korngrößenverteilung um maximal 20% um den Mittelwert schwankt und wobei zwischen 10 und 40 Vol.-% des Gesamt volumens der Sinterelektrode aus zur Umgebung offenen Poren besteht.

Die Poren können ungefüllt sein oder Emitterzusätze enthalten. Typische Emitterzusätze sind Oxide des Barium, Calcium, Scandium und Mischungen davon.

Die mittlere Korngröße des sphärischen Pulvers beträgt bevorzugt zwischen 5 und 70 µm.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schwankt die Korngrö ßenverteilung maximal um 10% um den Mittelwert.

Insbesondere ist der Sinterkörper in an sich bekannter Weise auf einem Kernstift aus massivem Metall befestigt ist. Bevorzugt ist dabei das Material des Sinterkörpers und des Kernstifts im wesentlichen das gleiche, beispiels weise reines Wolfram oder mit Lanthanoxid oder Thoriumoxid dotiertes Wolfram für den Sinterkörper und reines oder rheniumdotiertes Wolfram für den Kernstift.

Die Elektrode kann insbesondere auf Thorium verzichten und ist dann ra dioaktivitätsfrei.

Die erfindungsgemäße Elektrode hat eine Reihe von Vorteilen:
Die Lebensdauer der damit bestückten Hochdruckentladungslampen wird verlängert. Der Anstieg der Lampenbrennspannung wird verringert und die Lichtstrom-Maintenance verbessert. Außerdem zeigt sich eine geringere Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes. Zudem wird die Herstellung der Elektrode wesentlich vereinfacht. Gegenüber konventionellen Elektroden kann die Elektrodenwendel eingespart werden. Schließlich zeigt sich im Be trieb der Lampen eine Verringerung der Bogenunruhe und des Flickerns.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers gemäß Anspruch 1 besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen eines im wesentlichen sphärischen Metallpulvers aus einem der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Tantal, Molybdän, Iridium, Osmi um oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, wobei das Pulver folgende Eigenschaften besitzt:
die mittlere Korngröße des Metallpulvers beträgt zwischen 2 und 100 µm;
die Korngrößenverteilung schwankt um maximal 20% (typisch 10%) um den Mittelwert;
b) Pressen des Pulvers; ein typischer Wert des dabei angewendeten Drucks ist 100 bis 400 MPa;
c) Sintern des Preßlings bei einer Temperatur von etwa dem 0,6- bis 0,8fachen der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls (angegeben in Kel vin).

Beim Verfahrensschritt b) kann das Pulver insbesondere um einen Kernstift gepreßt werden.

Der Verfahrensschritt c) kann beispielsweise im Falle des Wolfram bevorzugt bei Temperaturen von 2500 bis 2800 K durchgeführt werden. Im Falle einer Legierung ist mit Schmelztemperatur diejenige der am niedrigsten schmel zenden Komponente gemeint.

Aufgrund der Kugelform des Metallpulvers ergeben sich beim Füllen der Preßform (Matrize) günstige Fließeigenschaften. Dadurch kann das Pressen vorteilhaft ohne Zugabe eines Binders erfolgen. Dies erspart einen zusätzli chen Verarbeitungsschritt und beugt möglichen Verunreinigungen vor.

Die Herstellung des im wesentlichen sphärischen Metallpulvers erfolgt in an sich bekannter Weise, wobei verrundete oder nahezu exakt kugelförmige Partikel entstehen können. Ein Beispiel ist der Carbonyl-Prozeß (New Types of Metal Powders, Ed. H. Hausner, Gordon and Breach Science Publishers, New York 1963, erschienen in der Reihe Metallurgical Society Conferences als Volume 23).

Die kugelähnlichen Pulverkörner homogener Größe erzeugen beim Sintern Gleichgewichtsflächen in Gestalt von Polyedern. Beispielsweise handelt es sich um [110]- oder [111]-Flächen. Überraschenderweise hat sich herausge stellt, daß diese Polyederflächen nicht weiter versintern, so daß die Porosität dieses neuartigen Sinterkörpers über die Lebensdauer praktisch konstant bleibt. Es handelt sich dabei um einen sog. Schwammkörper mit offener Porosität.

Die Wirkungsweise des Sinterkörpers wird im folgenden anhand eines Bei spiels näher erläutert, bei dem der Sinterkörper aus reinem (also ThO₂-freiem) Wolfram hergestellt wird.

Ausgangsmaterial ist sphärisches W-Pulver mit möglichst einheitlichem Durchmesser, also mit geringer Verteilungsbreite der Korngröße. Diese Ho mogenität des Pulvers hat letztlich eine große Stabilität des Sinterkörpers bei hohen Temperaturen zur Folge und führt zu entsprechend stabilen Verhält nissen während der Lebensdauer der Lampe. Das Pulver kann insbesondere direkt um einen ThO₂-freien Kernstift gepreßt werden. Anschließend wird bei der relativ niedrigen Temperatur von etwa 2350 (±100)°C gesintert. Die se niedrige Temperatur, die in etwa dem 0,7fachen der Schmelztemperatur des Wolfram entspricht, bedeutet eine erhebliche Energieersparnis gegen über den üblichen Sintertemperaturen von 2800-3000°C für kompaktes Wolfram-Material.

Weitere Emitter-Zusätze sind in vielen Anwendungen nicht notwendig, können aber bei Bedarf in die Hohlräume oder Poren eingebracht werden.

Die Restporosität der fertig gesinterten Schwamm-Elektrode kann gezielt über die Kugelgröße des Ausgangsmaterials eingestellt werden. Vorzugs weise werden bei der Schwamm-Elektrode Kugelgrößen von 5 bis 70 µm verwendet. Damit läßt sich eine Restporosität von etwa 15 bis 30 Vol.-% er zielen.

Die besonderen Vorteile der Schwamm-Elektrode in der Lampe werden im folgenden aufgeführt:
Die Entladung setzt bei einer erfindungsgemäßen Elektrode an einer großen Fläche an. Der von herkömmlichen Elektroden bekannte punktförmige An satz, der dort häufig zu lokal sehr hohen Temperaturen und zum Wandern des Brennflecks führt, wird vermieden. Die Temperaturverteilung auf dem ganzen Schwammkörper ist weitgehend gleichmäßig. Dagegen weist eine herkömmliche Elektrode einen hohen Temperaturgradienten auf. Sie hat ins besondere an der Spitze eine um typisch 500 K höhere Temperatur als im hinteren Teil der Elektrode.

Nach der Zündung der Lampe erfolgt der Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung bei Verwendung der Sinterelektrode schneller als bei der herkömmlichen massiven Elektrode, da die Wärmeableitung von der Spitze der Elektrode in Richtung Quetschung infolge der geringen Kontaktfläche zwischen den versinterten Körnern des Sinterkörpers stark herabgesetzt ist.

Bei der Schwamm-Elektrode wird zudem, insbesondere bei senkrechter Be triebslage, ein besseres Aufheizen des quetschungsnahen Bereichs des Entla dungsgefäßes erreicht. Die Ursache ist die größere Oberfläche der Elektrode, die mehr Licht abstrahlt. Daher kann eine etwaige Reflexionsbeschichtung an den Kolbenenden kleiner dimensioniert oder ganz weggelassen werden, wo durch ein höherer Lichtstrom erzielt wird.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Sinterelektrode, im Schnitt,

Fig. 2 eine Metallhalogenidlampe mit Sinterelektrode.

Beschreibung der Zeichnungen

Die in Fig. 1 gezeigte Sinterelektrode 1 für eine 150 W-Lampe besteht aus einem zylindrischen Sinterkörper 2, in dessen entladungsabgewandter Hälfte ein massiver Kernstift 5 aus Wolfram axial eingepreßt ist. Der Sinterkörper 2 besteht aus Wolfram, das aus sphärischem Metallpulver mit einer mittleren Korngröße von 10 µm hergestellt ist. Die Korngrößenverteilung schwankt um 10% um den Mittelwert. Die Restporosität ist etwa 15 Vol.-%.

Der Durchmesser des Kernstifts beträgt etwa 0,5 mm, der Außendurchmes ser des Sinterkörpers ist ca. 1,5 mm.

Fig. 2 zeigt als Anwendungsbeispiel eine Metallhalogenidlampe 9 mit einer Leistung von 150 W. Sie besteht aus einem Quarzglasgefäß 10, das eine Me tallhalogenidfüllung enthält. An ihren beiden Enden sind äußere Stromzu führungen 11 und Molybdänfolien 12 in Quetschungen 13 eingebettet. An den Molybdänfolien 12 sind die Kernstifte 5 der Elektroden 1 befestigt. Letz tere ragen in das Entladungsgefäß 10 hinein. Die beiden Enden des Entla dungsgefäßes sind jeweils mit einer wärmereflektierenden Beschichtung 14 aus Zirkonoxid versehen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Sinterkörper entladungsseitig abgerundet oder spitz zulaufend. Der Sinterkörper besteht aus Wolfram, während der eingepreßte Kernstift aus Rhenium, rheniumplattiertem Wolf ram oder Molybdän besteht.

Claims

1. Sinterelektrode (1) für Hochdruckentladungslampen, bestehend aus einem Sinterkörper (2) aus einem der hochschmelzenden Metalle Wolf ram, Tantal, Osmium, Iridium, Molybdän oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkör per (2) aus einem im wesentlichen sphärischen Pulver des Metalls bzw. der Legierung hergestellt ist, deren mittlere Korngröße zwischen 2 und 100 µm beträgt, wobei die Korngrößenverteilung um maximal 20% um den Mittelwert schwankt und wobei zwischen 10 und 40 Vol.-% des Gesamtvolumens der Sinterelektrode aus zur Umgebung hin offenen Poren besteht.

2. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Po ren ungefüllt sind oder Emitterzusätze enthalten.

3. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße zwischen 5 und 70 µm beträgt.

4. Sinterelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößenverteilung um maximal 10% um den Mittelwert schwankt.

5. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sin terkörper (2) auf einem Kernstift (5) aus massivem Metall befestigt ist.

6. Sinterelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Sinterkörpers (2) und des Kernstifts (5) im wesentlichen das gleiche ist.

7. Sinterelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall bis zu 5 Gew.-% Dotierstoffe enthält.

8. Verfahren zur Herstellung einer Sinterelektrode gemäß Anspruch 1, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:

- Bereitstellen eines im wesentlichen sphärischen Metallpulvers aus hochschmelzendem Metall wie Wolfram, Tantal oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle, wobei das Pulver folgende Eigen schaften besitzt:
die mittlere Korngröße des Metallpulvers beträgt zwischen 2 und 100 µm;
die Korngrößenverteilung schwankt um maximal 20% um den Mittelwert;
- Pressen des Pulvers;
- Sintern bei einer Temperatur von etwa dem 0,6- bis 0,8fachen der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver um einen Kernstift (5) gepreßt wird und mit diesem beim Sintern ver bunden wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen ohne Zugabe eines Binders erfolgt.