Beschreibung

Elektrode für eine Entladungslampe sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Elektrode

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Entla ^¬ dungslampe mit einem zylindrischen Schaft und einer an den zylindrischen Schaft anschließenden Spitze. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Elektrode für eine Entladungslampe sowie eine entsprechende Entladungslampe.

Stand der Technik

Die Kathoden von DC-Hochdruckentladungslampen, wie beispielsweise HBO-Lampen (Quecksilberdampflampen) oder XBO- Lampen (Xenonlampen) , bestehen in der Regel aus Wolfram, das mit Thoriumoxid dotiert ist. Der Anteil des Thorium ^¬ oxids beträgt dabei ca. 0,4 bis etwa 2 Gewichtsprozent. Da Thoriumoxid ein radioaktiver Stoff ist, kann auch bei thorierten Wolfram-Elektroden Radioaktivität nachgewiesen werden. Gesetzliche Bestimmungen regeln den Umgang mit radioaktiven Stoffen. Ist eine kritische Aktivität er ^¬ reicht, so sind geänderte Kennzeichnungspflichten und Maßnahmen beim Umgang mit diesen Stoffen erforderlich. Die Dotierung von Kathoden mit Thoriumoxid hat die Funktion, die Austrittsarbeit an der Kathodenspitze zu er- niedrigen, wodurch im Lampenbetrieb eine geringere Katho- denspitzentemperatur erreicht werden kann. Damit verbunden wird im Laufe der Lampenlebensdauer der auftretende Kathodenrückbrand reduziert, was sich für den Anwender

positiv in einer geringeren Abnahme des Nutzlichtstroms bzw. der Nutzlichtstrahlung bemerkbar macht.

Eine Zunahme der Lampenleistung erfordert in der Regel eine Vergrößerung der Kathodenabmessungen, um die Tempe- ratur und damit verbunden den Elektrodenrückbrand mög ^¬ lichst gering zu halten. Bei Entladungslampen bis zu einer Leistung von etwa 5 kW kann die gesamte Kathode bzw. der Kathodenkopf aus thoriertem Material hergestellt wer ^¬ den, ohne den Grenzwert der Aktivität zu überschreiten. Bei Leistungen von mehr als 8 kW ist dies nicht mehr mög ^¬ lich.

Eine aus dem Stand der Technik bekannte Kathode ist in Fig. 1 gezeigt. Bei einer Kathode 1', die wegen ihrer Größe und ihres Thoriumgehalts in der Gesamtaktivität o- berhalb der kritischen Grenze liegen würde, wird die Ak ^¬ tivität durch die Verwendung von zwei mechanisch miteinander verbundenen Materialien eingestellt, von denen eines mit Thoriumoxid dotiert ist. Die Kathode 1' umfasst dazu einen vorderen Spitzenbereich 11', welcher aus einem thorierten Werkstoff gefertigt ist. Dieser Block 11' ist auf einen zweiten, in Längsrichtung dahinter angeordneten Bereich 12' aufgesetzt, welcher aus thoriumfreien Material ausgebildet ist. Die in Fig. 1 gezeigte Kathode 1' ist in ihrer Herstellung relativ aufwendig. Die beiden Teile 11' und 12' der Kathode 1' werden relativ aufwendig ver ^¬ bunden, wobei dazu beispielsweise eine Lötung oder Ver- schraubung vorgesehen ist. Neben dieser relativ aufwendigen Herstellung und Zusammenfügung können bei einer derartig ausgebildeten Kathode 1' Startprobleme der Entla- dungslampe auftreten. Diese können dadurch verursacht werden, dass ein Ansetzen des Lichtbogens im Verbindungs-

bereich zwischen diesen beiden Teilen 11' und 12' auftreten kann und nicht wie erforderlich an dem vordersten Ende des Spitzenbereichs 11'.

Darstellung der Erfindung

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine E- lektrode für eine Entladungslampe sowie ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die Elektrode aufwandsärmer hergestellt werden kann und darüber hinaus die kritische Gren ^¬ ze im Hinblick auf die Aktivität des Materials dieser E- lektrode im erforderlichen Bereich zu halten. Des Weite- ren ist es auch Aufgabe, eine entsprechende Entladungs ^¬ lampe mit einer derartigen Elektrode sowie ein Herstel ^¬ lungsverfahren einer derartigen Entladungslampe zu schaffen .

Diese Aufgaben werden durch eine Elektrode, welche die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, sowie eine Ent ^¬ ladungslampe, welche die Merkmale nach Patentanspruch 10 aufweist, gelöst. Darüber hinaus werden die Aufgaben auch durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 16 aufweist, gelöst.

Eine erfindungsgemäße Elektrode für eine Entladungslampe umfasst einen zylindrischen Schaft und eine an diesen zylindrischen Schaft anschließende Spitze. In Längsrichtung der Elektrode ist ein Kern ausgebildet, welcher zumindest bereichsweise von einem Mantel umgeben ist. Der Kern wird dabei von einem ersten Materialbereich gebildet, wobei der Kern von einem zweiten, den Mantel bildenden Materialbereich umgeben ist, wobei die Materialbereiche in ih ^¬ ren Zusammensetzungen verschieden sind. Durch eine derar-

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tige Strukturgebung der Elektrode kann die Herstellung dieser vereinfacht werden und insbesondere der Verbin ^¬ dungsbereich zwischen den beiden Materialbereichen und somit zwischen dem Kern und dem Mantel aufwandsärmer er- möglicht werden. Darüber hinaus kann mit einer derartigen Elektrode auch den gesetzlichen Anforderungen im Hinblick auf die Grenze der kritischen Aktivität der Materialien und insbesondere des ersten Materialbereichs genüge getan werden .

Bevorzugt erstreckt sich der Kernbereich über die gesamte Länge des Schafts und der Spitze, wodurch ein in Längs ^¬ richtung der Elektrode vollständig durchlaufender Kernbe ^¬ reich als erster Materialbereich ausgebildet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich der Kern und somit der erste Materialbereich nur teilweise über die gesamte Län ^¬ ge der Elektrode erstreckt. Der Kern ist somit im Wesent ^¬ lichen vollständig eingebettet in dem Mantel angeordnet.

Bevorzugt ist der Kern lediglich an einem vorderen Ende der Spitze über eine vorgebbare Länge freigelegt. Der erste Materialbereich ist somit in vorteilhafter Weise lediglich an diesem vorderen Ende freiliegend, in dem sich der Mantel und somit der zweite Materialbereich nicht über die gesamte Länge der Elektrode erstreckt. Die Betriebsbedingungen der Lampe und insbesondere die Katho- denspitzentemperatur kann dadurch reduziert werden. Nicht zuletzt kann dadurch auch das Ansetzen des Lichtbogens örtlich sehr fokussiert und darüber hinaus auch im gewünschten Bereich der Elektrode gehalten werden.

In besonders vorteilhafter Weise wird die Elektrode und insbesondere die Ausgestaltung der Materialbereiche sowie

insbesondere die Verbindung zwischen dem ersten Materialbereich und dem zweiten Materialbereich durch einen Sin- terprozess ausgebildet. Daher ist eine aufwendig zu in ^¬ stallierende mechanische Verbindung, wie dies im Stand der Technik beispielsweise durch Lötung oder Verschrau- bung der Fall ist, bei dieser Elektrode nicht mehr erfor ^¬ derlich .

Der erste Materialbereich ist in bevorzugter Weise in Längsrichtung der Elektrode um deren Längsachse ausgebil- det und zentriert in der Elektrode angeordnet. Diese mit ^¬ tige Anordnung des stabförmigen Kerns ermöglicht dann die Ausgestaltung eines den Kern gleichmäßig umgebenden Mantels, wodurch in Bezug auf die Längsachse eine symmetri ^¬ sche Ausbildung möglich ist. Auch dadurch kann die Funk- tionsweise der Elektrode positiv beeinflusst werden.

Der erste Materialbereich ist in vorteilhafter Weise aus einem Wolframmaterial ausgebildet, welches thoriumhaltig ist und somit insbesondere mit Thoriumoxid dotiert ist. Das Wolframmaterial des ersten Materialbereichs kann je- doch auch mit allen anderen Materialien, welche als E- lektrodenwerkstoff geeignet sind, dotiert sein. Bei ^¬ spielsweise kann auch eine Dotierung des Wolframmaterials mit Lanthanoxid oder Yttriumoxid oder anderen bekannten Dotierungen und Zumischungen erfolgen. Der erste Materi- albereich kann jedoch auch aus einem anderen Material o- der einer anderen Materialkombination ausgebildet sein.

Der zweite Materialbereich ist bevorzugt aus einem Wolf ^¬ rammaterial und thoriumfrei ausgebildet.

Durch das Verfahren kann auch bei relativ großen Elektroden im ersten Materialbereich ein homogen gemischter Werkstoff erzeugt werden.

Es kann eine Elektrode, insbesondere eine Kathode, herge- stellt werden, welche aus einem Kompositwerkstoff, insbe ^¬ sondere einem Wolfram-Kompositwerkstoff, ausgebildet ist. Dieser Kompositwerkstoff weist in seinem inneren, achsennahen Kern bevorzugterweise einen thorierten Materialbe ^¬ reich auf, während der darüber liegende Mantel thorium- frei ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine Elektrode mit einer deutlich geringeren Radioaktivität im Vergleich zu einer gleichgroßen Elektrode aus vollständig thoriertem Wolfram geschaffen werden. Auch im Hinblick auf das Rückbrandverhalten zeichnet sich bei der vorge- schlagenen erfindungsgemäßen Elektrode kein im Vergleich zur aus dem Stand der Technik bekannten Elektrode nachteiliges Verhalten auf.

Darüber hinaus kann auch ein falsches Ansetzen des Lichtbogens an der Verbindungsstelle, wie dies bei der Kathode 1' gemäß Fig. 1 der Fall ist, verhindert werden. Ein wei ^¬ terer Vorteil dieser vorgeschlagenen Komposit-Elektrode besteht auch darin, dass im Verlauf der Lebensdauer das Auftreten eines falschen Lichtbogenansatzes, z. B. an der Kathodenkante bei Neustart der Entladungslampe, vermieden wird. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass der Lichtbogen bevorzugt an Stellen mit erniedrigter Austrittsarbeit ansetzt und somit bevorzugt in thorierten Materialbereichen. Da jedoch bei der bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Elektrode der Mantel nicht thoriert ist, kann auch hier kein Lichtbogen ansetzen.

Vorzugsweise ist das Verhältnis des Durchmessers des Kerns der Elektrode zum Durchmesser der gesamten Elektrode im Wertebereich zwischen 0,1 und 0,7. Besonders bevorzugt ist dabei ein Wert von etwa 0,4. Durch diese Dimen- sionierung kann ein Optimum im Hinblick auf die Größe der Kathode sowie deren optimales Betriebsverhalten und auch den erforderlichen gesetzlichen Bestimmungen im Hinblick auf die kritische Aktivität erreicht werden.

Die Elektrode weist in vorteilhafter Ausführung einen Durchmesser größer oder gleich 12 mm, insbesondere größer oder gleich 15 mm, auf.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Entla ^¬ dungslampe, insbesondere eine Hochdruckentladungslampe, welche eine erfindungsgemäße Elektrode oder eine vorteil- hafte Ausführung davon umfasst. Bevorzugt ist die Entla ^¬ dungslampe derart ausgebildet, dass sie eine elektrische Leistung größer gleich 4 kW, insbesondere größer gleich 5 kW, aufweist. Besonders vorteilhaft erweist sich die vor ^¬ geschlagene Elektrode für Entladungslampen, welche sogar elektrische Leistungen größer 8 kW aufweisen. Durch die Ausgestaltung der Elektrode kann auch bei Entladungslampen mit derartigen Leistungen der Grenzwert der Aktivität eingehalten werden.

Die Entladungslampe kann als Quecksilberdampflampe oder als Xenonlampe ausgebildet sein. Bei einer Ausgestaltung als Quecksilberdampflampe kann die Quecksilberkonzentra ^¬ tion bevorzugt größer oder gleich 8 mg/ccm, insbesondere größer oder gleich 10 mg/ccm, sein. Ist die Entladungslampe als Xenonlampe ausgebildet, ist ein Xenon-

Kaltfülldruck bevorzugterweise größer 6 bar, insbesondere größer 8 bar.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Entladungslampe wird die Elektrode mit einem zylindrischen Schaft und einer an den zylindrischen Schaft anschließenden Spitze ausgebildet. In Längs ^¬ richtung der Elektrode wird ein einen Kern bildender erster Materialbereich ausgebildet und es wird ein zumindest bereichsweise den Kern umgebender Mantel ausgebildet, wo- bei der Mantel durch einen zweiten Materialbereich, welcher in seiner Zusammensetzung vom ersten Materialbereich verschieden ist, ausgebildet wird. Durch dieses Verfahren kann eine Elektrode geschaffen werden, welche den gesetzlichen Bestimmungen im Hinblick auf die kritische Aktivi- tat der Materialien der Elektrode genügt und dennoch auf ^¬ wandsarm hergestellt werden kann. Insbesondere sind bei dieser Ausgestaltung die beiden Materialbereiche in vorteilhafter Weise durch einen Sinterprozess erzeugt, wo ^¬ durch die mechanische Verbindungen zwischen den Materia- lien nicht mehr in zumindest einem weiteren separaten, aufwendigen und im Hinblick auf das Zusammenfügen relativ ungenauen Fertigungsschritt ausgebildet werden muss. Da ^¬ durch kann auch eine Entladungslampe hergestellt werden, welche eine derartig ausgebildete Elektrode umfasst, wo- durch auch Entladungslampen mit sehr hohen elektrischen Leistungen den Grenzwert der Aktivität der Materialien der Elektrode nicht überschreiten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektrode sowie der erfindungsgemäßen Entladungslampe sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode sowie als vorteil-

hafte Ausgestaltungen zum Herstellen einer Entladungslampe mit einer derartigen Elektrode anzusehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zei- gen :

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Kathode;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Elektrode; und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine als Kathode 1 ausgebildete Elektrode. Die Kathode 1 umfasst eine Spitze 11, welche im Ausführungsbeispiel ke- gelförmig ausgebildet ist. Die Spitze 11 geht in einen zylindrischen Schaft 12 über. In Längsrichtung der Kathode 1 und somit in Richtung der Längsachse A weist die Ka ^¬ thode 1 eine Länge 11 auf, welche sich aus der Länge 12 des zylindrischen Schafts 12 und der Länge 13 der Spit- ze 11 zusammensetzt. Die gezeigte Ausgestaltung ist le ^¬ diglich beispielhaft und kann sowohl in den Längenverhältnissen als auch in den Formgebungen variieren.

Wie aus der Darstellung in Fig. 2 zu erkennen ist, umfasst die Kathode 1 einen Kern 13, welcher im Ausfüh-

rungsbeispiel mittig und zentriert in der Kathode 1 ange ^¬ ordnet ist und somit im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse A ausgebildet ist. Im Ausführungsbei ^¬ spiel erstreckt sich der Kern 13, welcher durch einen ersten Materialbereich ausgebildet ist und im Ausführungsbeispiel aus einem thoriumhaltigen Wolframmaterial ausgebildet ist, über die gesamte Länge der Kathode 1. Der Kern 13 ist mit Thoriumoxid dotiert.

Dieser Kern 13 ist von einem Mantel 14 umlaufend umgeben, wobei der Mantel 14 durch einen zweiten Materialbereich gebildet ist, welcher im Ausführungsbeispiel thoriumfrei ^¬ es Wolframmaterial ist.

In der gezeigten Ausführung erstreckt sich der Kern 13 an einem vorderen Ende der Spitze 11 über den Mantel 14 hin- aus. Es wird dabei ein erhabener Bereich ausgebildet, welcher sich über die Länge 14 über den Mantel 14 hinaus erstreckt. In diesem vorderen Bereich ist der Kern 13 somit über diese Länge 14 freiliegend angeordnet und nicht von dem Mantel 14 umgeben. Sowohl die schematisch darge- stellten Längen 11 bis 14 als auch die jeweiligen Verhältnisse dieser Längen 11 bis 14 zueinander sind lediglich beispielhaft und können ebenfalls situationsabhängig und bedarfsabhängig anderweitig ausgebildet sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass sich der Kern 13 nicht über die gesamte Länge 11 der Kathode 1 erstreckt, sondern beispielsweise sich nur im Bereich der Spitze 11 er ^¬ streckt und ausgehend von dem vorderen Ende der Spitze 11 beispielsweise sich über die Länge 13 erstreckt. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich dieser Kern 13 ausgehend von der Spitze 11 noch bis in den zylinderförmigen Schaft 12 hinein erstreckt.

Im Ausführungsbeispiel ist dieser Kern 13 stiftartig aus ^¬ gebildet und weist über die Länge 11 einen im Wesentli ^¬ chen gleichen Durchmesser dl auf. Lediglich im vorderen Ende der Spitze 11 und somit über die Länge 14 ist dieser Kern 13 konusförmig und somit verjüngt ausgebildet. Diese stiftartige Ausgestaltung des Kerns 13 ist nicht zwingend und der Durchmesser dl sowie die Formgestaltung des Kerns 13 können auch anderweitig gestaltet sein. Insbesondere kann der Durchmesser dl auch im Bereich des Schaftes 12 und den dann in die Spitze 11 hineinragenden Bereich variieren .

Dadurch kann insbesondere im Hinblick auf den Einsatz der Elektrode in Lampen, welche relativ hohe elektrische Leistungen aufweisen und insbesondere elektrische Leis- tungen größer 8 kW aufweisen, eine bedarfsgerechte Aus ^¬ gestaltung insbesondere des Kerns 13 ermöglicht werden, welche dann auch den gesetzlichen Bestimmungen im Hinblick auf die Grenzwerte der Radioaktivität genügen.

Beispielsweise kann hier auch vorgesehen sein, dass der Kern 13 insbesondere im Bereich der Spitze 11 aufgeweitet ausgebildet ist und somit praktisch aufgeweitet an die schrägen Ränder der Spitze 11 mündet. Ausgehend von dem in Fig. 2 im unteren Bereich des zylinderförmigen Schaftes 12 gezeigten Durchmesser dl würde bei einer derarti- gen Ausgestaltung eine Vergrößerung, insbesondere eine kontinuierliche Vergrößerung, des Durchmessers dl des Kerns 13 in Richtung zur Spitze 11 und insbesondere in Richtung zum vorderen Bereich dieser Spitze 11, bis die Randbereiche des Kerns 13 an die schrägen Kanten der Spitze 11 münden, ausgebildet sein. Von dort bis zur End ^¬ länge 11 würde dann wieder eine Abnahme des Durchmessers

des Kerns 13 aufgrund der schrägen Kanten der Spitze 11 einhergehen, wie dies in Fig. 2 über die Länge 14 beispielhaft gezeigt ist. Es könnte auch vorgesehen sein, dass diese kontinuierliche Aufweitung und somit die kon- tinuierliche Vergrößerung des Durchmessers des Kerns 13 erst mit dem übergang von dem Schaft 12 in die Spitze 11 beginnt und nach oben hin fortgesetzt wird.

Neben dem in Fig. 2 eingezeichneten Durchmesser dl des Kerns 13 ist auch der gesamte Durchmesser d2 der Kathode 1 gezeigt. Im Ausführungsbeispiel weist das Verhältnis zwischen dem Durchmesser dl und dem Durchmesser d2 einen Wert 0,4 auf.

Die in Fig. 2 gezeigte Kathode 1 ist durch einen Sinter- prozess hergestellt, wobei insbesondere die beiden Mate- rialbereiche und somit der Kern 13 und der Mantel 14 durch den Sinterprozess verbunden werden. Die Kathode 1 ist somit als Komposit-Elektrode ausgebildet und aus ei ^¬ nem Wolfram-Kompositwerkstoff hergestellt.

In Fig. 3 ist in schematischer Weise eine Hochdruckentla- dungslampe I gezeigt, welche eine Kathode 1 gemäß der Ausgestaltung in Fig. 2 aufweist.

Darüber hinaus ist eine Anode 2 ausgebildet, wobei die Kathode 1 an einem Haltestab 3 und die Anode 2 an einem Haltestab 4 befestigt sind. Diese Haltestäbe 3 bzw. 4 münden dann jeweils in weitere Befestigungselemente 5 bzw. 6, beispielsweise Quarzstäbe. Diese genannten Kompo ^¬ nenten der Hochdruckentladungslampe I sind in einem Ent ^¬ ladungsgefäß 7 aus Quarzglas angeordnet, wobei insbeson ^¬ dere die Anode 2 und die Kathode 1 in einem elliptisch ausgebildeten Entladungskolben 71 angeordnet sind. Die

Haltestäbe 3 und 4 sind mit einer nicht dargestellten Mo ^¬ lybdänfolie verbunden, welche in die rohrförmigen Enden des Entladungsgefäßes 7 vakuumdicht eingeschmolzen ist. Darüber hinaus umfasst die Hochdruckentladungslampe An- schlusssockel 8 und 9.