DE2245717A1

DE2245717A1 - Elektrode mit einem poroesen sinterkoerper

Info

Publication number: DE2245717A1
Application number: DE2245717A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Rer Nat Kuemmel; Manfred Mair
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1972-09-18
Filing date: 1972-09-18
Publication date: 1974-03-28
Also published as: US3911309A; GB1438524A; JPS4970478A; FR2200618A1; FR2200618B1

Description

Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH, München

Elektrode mit einem porösen Sinterkörper

Die Erfindung betrifft eine Elektrode mit einem um den Elektrodenstift angeordneten porösen Sinterkörper für Gas- und/oder Dampfentladungslampen, vorzugsweise für Hochdruckentladungslampen.

Elektroden, die aus einem Sinterkörper bestehen, sind bereits bekannt; dabei ist der Sinterkörper unterschiedlich zusammengesetzt und geformt. In der DT-AS 1 l43 931 wird ein poröser Kathodenkörper beschrieben, der aus mit Emissionssubstanz durchtränktem Wolfram besteht und in dessen der Entladung zugewandten Oberfläche in Vertiefungen eine zweite Emissionssubstanz mit geringerer Elektronenaustrittsarbeit angeordnet ist. Die zweite Emissionssubstanz dient zur Einleitung der Entladung. Bei der in der DT-PS 1 l87 730 beanspruchten Elektrode besteht der Sinterkörper aus mehreren Zonen, die von um einen Elektrodenstift zusammengepreßten und gesinterten, untereinander verschiedenen Emissionsgemischen gebildet sind. Die temperaturfesteren Zonen höherer Elektronenaustrittsarbeit sind dabei nach dem Entladungsraum hin angeordnet; die Zonen niedrigerer Austrittsarbeit sind an vom Entladungsraum abgewandten Stellen vorgesehen.

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*) H Ol j, 61/06

Demgegeniiber ist die Elektrode mit einem um den Elektrodenstift angeordneten porösen Sinterkörper für Gas und/oder Dampfentladungslampen, vorzugsweise für Hochdruckentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Sinterkörper aus zwei Zonen besteht, derart, daß die erste Zone 4 aus hochschmelzendem, bei höherer Temperatur als der Temperatur der Bogenansatzstelle gesintertem Material mit Schwammstruktur und die zweite Zone 5 aus einem Gemisch aus hochschmelzendem Material mit einem Emissionsmaterial besteht, wobei die Auflenoberfläche 7 der ersten Zone näher zur Entladung liegt als die Außenoberfläche 8 der zweiten Zone. Als hochschmelzende Materialien für die erste und zweite Zone eignen sich Metalle, z.B. Wolfram, oder auch Metallverbindungen, z.B. Zirkoncarbid, Lanthanborid oder dergleichen.

Bei der Schwammstruktur des hochschmelzenden, gesinterten Materials' der ersten Zone bilden die Poren keine voneinander isolierten Hohlräume, sondern sind untereinander verbunden und bilden ein durchlässiges Kanalsystem. Dadurch kann soviel Emitter aus der zweiten Zone an die Außenfläche der ersten Zone nachfließen, daß keine Zerstäubung des hochschmelzenden Materials durch den dort im Betrieb ansetzenden Bogen eintritt.

Die Dichte der ersten Zone, die bei der Herstellung kein Etnissionsmaterial enthält, beträgt bei Verwendung von reinem Wolfram 8 bis l6 g/cm mit einem Vorzugsbereich von 10 bis l4 g/cm . Das Gemisch der zweiten Zone enthält dagegen eine Emittersubstanz. Es kann z.B. aus 30 bis 70 Gew.% hochschmelzendem Material, vorzugsweise Wolfram, und 70 bis 30 Gew.% Emissionsmaterial bestehen, wobei sich ein Mischungeverhältnis von 50 : 50 Gew.% als günstig erwiesen hat. Als Emissionamaterial können die bekannten Emittersubstanzen, wie z.B. Oxide von Barium, Calcium oder Thorium oder auch Bariumcerat, verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung ist die zweite Zone, an der der Bogen beim Zünden ansetzt, in dem Hohlraum der als Kappe ausgebildeten ersten Zone, an der der Bogen im Betrieb ansetzt, angeordnet. Die Außenoberfläche der Kappe kann dabei z.B. zylindrisch oder kegel- bzw. kegelstumpfförmig

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ausgebildet sein. Die Öffnung der Kappe ist von der Entladung abgewandt. Der Elektrodens.tift ragt entweder mit seinem Ende über die Kappe in die Entladung hinein oder endet in der Kappe. Bei dieser Ausführung der Elektrode ist eine große, nach hinten liegende Fläche für den Zündansatz vorhanden.

Um bei den hohen Sintertemperaturen, die zur Erzielung einer guten mechanischen und Hochtemperatur-Festigkeit erforderlich sind, noch eine für die Elektrodenfunktion hinreichende Porösität mit der Struktur eines Schwammes zu erhalten, wird für die Herstellung der ersten Zone eine Mischung aus Pulver von einem Metall wie Wolfram oder von einem anderen hochschmelzenden Material, z.B. von einer Metallverbindung wie Zirkoncarbid oder dergleichen, und einem Pulver eines mit dem hochschmelzenden Material nicht legierenden Materials niedrigen Siedepunktes, z.B. Zink, Kupfer, Gold oder dergleichen, verwendet. Diese Mischung wird auf pulvermetallurgisch üblicher Weise in die gewünschte Form gepreßt. Der Elektrodenstift kann dabei gleich mit in den Sinterkörper eingepreßt werden. Der Preßling wird bei einer Temperatur, die über der Verdampfungstemperatur des Materials niedrigen Siedepunktes liegt, gesintert. Bei dieser ersten Sinterstufe verdampft das flüchtige Material und hinterläßt ein poröses Skelett. Zur Erhöhung der Festigkeit dieses Skeletts wird der poröse Körper einer nochmaligen Sinterung bei höheren Temperaturen bis zu 26OO C unterworfen, wobei die hohe Porösität und die Schwammstruktur des Sinterkörpers praktisch erhalten bleiben. Für die zweite Zone wird eine Pulvermischung aus Metall wie Wolfram oder dergleichen und Emissionsmaterial an die erste Zone oder - wenn die erste Zone als Hohlkörper ausgebildet ist - in den Hohlraum der ersten Zone eingebracht und mit dieser bei einer niedrigeren Temperatur bis zu 2000 C zusammengesintert; dabei kann der Emitter gleichzeitig formiert werden. Das Verdampfen des Materials niedrigen Siedepunktes und das Hochsintern der porösen ersten Zone kann auch in einer Verfahrensstufe erfolgen. Gegebenenfalls, z.B. bei Verwendung von Wolfram als hochschmelzendem Material, ist eine Schutzgasatmosphäre oder Vakuum erforderlich. Außerdem ist bei Verwendung von Wolfram als hochschmelzendem Material Zink als Material mit niedrigem Siedepunkt besonders geeignet, da es gleich-

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zeitig Preßhilfe bei der Formkörperherstellung ist. Rastermikroskopische Aufnahmen von so hergestellten Elektroden zeigen, daß die Brücken zwischen den Körnern, aus denen ursprünglich der Preßling bestand, durch das Sintern bei der hohen Temperatur beinahe so breit sind, daß sie den Körnerabmessungen entsprechen - was die hohe Festigkeit bedingt -, aber trotzdem noch die Schwammstruktur erhalten bleibt.

Sinterkörperelektroden haben den Vorteil, daß sie billiger und einfacher in der Herstellung sind als Drahtwendelelektroden. Doch ist bekannt, daß ihre Stabilität bei höheren elektrischen und thermischen Belastungen bisher noch nicht ausreichte, Lebensdauern über 50OO Stunden mit Garantie zu erreichen, so daß sie bei Lampen mit Leistungsaufnahmen über 125 W allgemein nicht verwendet wurden. Demgegenüber ist die Sinterkörperelektrode gemäß der Erfindung auch für Lampen mit Leistungsaufnahmen von 400 W und höher gut geeignet, zumal durch die hohe Sintertemperatur der poröse Körper auch eine bessere elektrische Leitfähigkeit bekommt. Des weiteren tritt durch die hohe Sintertemperatur der ersten Zone der Elektrode, an die die Entladung im Betriebszustand ansetzt, auch bei hoher Belastung ein Zusammensintern der Poren nicht auf, so daß die dosierte Nachlieferung von Emittersubstanz gewährleistet bleibt. Infolge der großen Fläche für den Ansatz der in der Anlaufphase stromstärkeren Entladung und der Lage dieser Fläche am rückwärtigen Ende der erfindungsgemäßen Elektrode und der dadurch bedingten günstigeren Aufheizung der Räume hinter der Elektrode tritt ein schneller Übergang der Entladung in die stromschwächere stationäre Hochdruckphase ein. Dies wird noch unterstützt durch die geringe Wärmekapazität der Elektrode gemäß der Erfindung. Bei der Ausführung der ersten Zone als Kappe wird zusätzlich noch ein wirksamer Schutz für die emitterreiche zweite Zone während des stationären Betriebes der Lampe erreicht.

In den Figuren 1 und 2 sind AusfUhrungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.

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In der Figur 1 ragt der Elektrodenstift 1 aus thoriertem Wolfram mit

2 einem Durchmesser von 1,2 mm mit seiner Spitze etwa 1,5 ™m aus dem Sinterkörper 3 heraus. Der Sinterkörper 3 hat die Form eines Zylinders, dessen Länge mit etwa 5 mm etwas größer als sein Durchmesser ist, und besteht aus der ersten Zone 4 und der zweiten Zone 5· Die erste Zone hat die Form einer zylindrischen Kappe mit glockenförmigem Hohlraum Sie besteht aus hochgesintertem porösem Wolfram mit einer Dichte von 12 g/cm . Der Hohlraum ist mit einem gesinterten Emittergemisch von 50 Gev.% Wolfram und 50 Gew.% Gemisch der Oxide von Barium, Calcium, Thorium fast vollständig ausgefüllt, das die zweite Zone 5 bildet. Die Außenoberfläche 7 der ersten Zone 4 liegt in der Lampe näher zur Entladung als die Außenoberfläche 8 der zweiten Zone 5·

In der Figur 2 hat die erste Zone 4 die Form einer kegelförmigen Kappe 9* Der Elektrodenstift 1 endet mit seiner Spitze 2 in der Mantelfläche der Kappe 9·

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Elektrode mit einem um den Elektrodenstift angeordneten porösen Sinterkörper für Gas- und/oder Dampfentladungslampen, vorzugsweise für Hochdruckentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Sinterkörper aus zwei Zonen besteht, derart, daß die erste Zone (4) aus hochschmelzendem, bei höherer Temperatur als der Temperatur der Bogenansatzstelle gesintertem Material mit Schwammstruktur und die zweite Zone (5) aus einem Gemisch aus hochschmelzendem Material mit einem Emissionsmaterial besteht, wobei di· Außenober·· fläche (7) der ersten Zone näher zur Entladung liegt als die Außenoberfläche (8) der zweiten Zone.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Material der ersten und der zweiten Zone ein Metall« vorzugsweise Wolfram, ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochschmelzende Material der ersten und der zweiten Zone eine Metallverbindung, vorzugsweise Zirkoncarbid oder Lanthanborid, ist.
4. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste

Zone bei Verwendung von Wolfram eine Dichte von 8 bis l6 g/cm ,

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vorzugsweise von 10 bis l4 g/cm , aufweist.
5. Elektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch der zweiten Zone aus 30 bis 70 Gew.% hochschmelzendem Material, vorzugsweise Wolfram, und 70 bis 3O Gew.% Emissionsmaterial besteht, vorzugsweise aus je 50 Gew.%.
6. Elektrode nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsmaterial aus einem oder mehreren der Oxide von Barium, Calcium, Thorium besteht.
7. Elektrode nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsmaterial aus Bariumcerat besteht. ,

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8. Elektrode nach Anspruch 1 bis 7_t dadurch gekennzeichnet, daß die erste. Zone die Form einer mit ihrem offenen Ende der Entladung abgewandten Kappe hat, in deren Hohlraum die zweite Zone angeordnet ist,
9. Elektrode nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das der Entladung zugewandte Ende des Elektrodenstiftes über die Kappe hinausragt.
10. Verfahren zur Herstellung der Elektrode nach Anspruch 1 bis 9« dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der ersten Zone ein Pulver eines hochschmelzenden Materials, vorzugsweise eines Metalles wie Wolfram oder einer Metallverbindung wie Zirkoncarbid oder Lanthanborid, und ein Pulver eines mit dem hochschmelzenden Material nicht legierenden Materials mit niedrigem Siedepunkt, vorzugsweise Zink, gemischt und in einer Form mit hohem Druck mittels eines formenden Stempels, der den Elektrodenstift aus vorzugsweise thoriertem Wolfram trägt, zusammengepreßt wird, der Preßling bei einer Temperatur über der Verdampfungstemperatur des Materials niedrigen Siedepunktes gesintert wird, wobei das Material niedrigen Siedepunktes verdampft, und der poröse Körper aus hochschmelzendem Material anschließend zur Erzielung einer größeren mechanischen und Hochtemperatur-Festigkeit bei höherer Temperatur, vorzugsweise bis 2600 C, gesintert wird, zur Herstellung der zweiten Zone eine Pulvermischung aus hochschmelzendem Material, vorzugsweise einem Metall wie Wolfram, und Emissionsmaterial an die erste Zone an- oder eingepreßt und mit dieser bei einer niedrigeren Temperatur bis "2000 C zusammengesintert wird.

Dr.Hz/Br

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