Haltestab

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Haltestab zum Halten einer Anode oder Kathode gemäß den Patentansprüchen 1 und 5 sowie eine Entladungslampe mit zumindest einem derartigen Haltestab.

Stand der Technik

Entladungslampen, insbesondere Quecksilberdampf- oder Xenon- Kurzbogenlampen, weisen üblicherweise zum Halten ihrer Anode und Kathode in einem Entladungsraum zwei Haltestäbe auf, die aus Kalium dotiertem Wolfram bestehen. Nachteilig an dieser Materialzusammensetzung ist, dass diese sehr spröde ist und somit bei hochwattigen Entladungslampen, d. h., insbesondere bei Lampen größer 2 kW, immer wieder Transportbrüche auftreten, da derartige Entladungslampen sehr schwere Anoden und große Haltestablängen aufweisen. Beispielhaft sei eine handelsübliche 5 kW-Queckilberdampf-Kurzbogenlampe erwähnt, die eine Anodenmasse von etwa 1000 g und eine Haltestablänge von etwa 100 mm aufweist.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung derartiger Transportbrüche besteht darin, den Querschnitt der Haltestäbe so zu vergrößern, dass die Haltestäbe die großen Anodenmassen aufnehmen können. Aufgrund der kompakten Bauweise der Entladungslampen ist jedoch eine derartige geometrische Vergrößerung nur bedingt möglich.

Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung der Transportbrüche wird darin gesehen, die Festigkeit der Haltestäbe zu erhöhen. Eine bekannte Maßnahme ist die Verwendung von thoriertem Wolfram anstelle von Kalium dotiertem Wolfram, was jedoch den Nachteil hat, dass das hierfür verwendete Thorium radioaktiv ist und somit von einem derartigen Haltestab eine radioaktive Belastung für die Umwelt ausgeht.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Haltestab zum Halten einer Anode oder Kathode einer Entladungslampe zu schaffen, der zur Vermeidung von Brüchen eine hohe Festigkeit aufweist und von dessen Materialzusammensetzung keine radioaktive Belastung für die Umwelt ausgeht. Ebenso liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Entladungslampe mit zumindest einem derartigen Haltestab zu schaffen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Haltestabs durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 sowie hinsichtlich der Entladungslampe durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Haltestab für eine Entladungslampe, insbesondere eine Quecksilberdampf- oder Xenon-Kurzbogenlampe, zum Halten einer Anode oder Kathode in einem Innenraum eines Entladungsgefäßes enthält erfindungsgemäß dotiertes Molybdän.

Eine alternative erfindungsgemäße Lösung sieht einen Haltestab vor, bei dem der Haltestab mit zumindest einer Metall-Sauerstoffverbindung dotiertes Wolfram enthält. Die Metall-Sauerstoffverbindung führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Festigkeit des Haltestabs. Beispielhafte Metall-Sauerstoffverbindungen sind Lanthanoxid, Yttriumoxid oder Rheniumoxid.

Eine erfindungsgemäße Entladungslampe weist zumindest einen Haltestab aus dotiertem Molybdän oder aus Wolfram auf, das mit einer Metall- Sauerstoffverbindung dotiert ist.

Dotiertes Molybdän hat den Vorteil, dass es nach einer Wärmebehandlung bzw. Glühbehandlung bei der Herstellung der Entladungslampe und im Betrieb der Entladungslampe eine gegenüber Kalium dotiertem Wolfram erhöhte Duktilität aufweist. Wegen der Duktilität des dotierten Molybdäns steigt nach der herstellungsbedingten Glühbehandlung die Festigkeit bis zum Beginn der plastischen Verformung (Streckgrenze) um etwa das Vierfache gegenüber Kalium dotiertem Wolfram an. Weiterhin ist vorteilhaft, dass Molybdän ein geringeres

spezifisches Gewicht als Wolfram hat, so dass eine entsprechende Entladungslampe gewichtsreduziert ausführbar ist.

Vorzugsweise wird als Dotierstoff Kalium verwendet, was den Vorteil hat, dass Kalium dotiertes Molybdän (MoQ) einfach und kostengünstig herzustellen ist und von diesem Material keine radioaktive Belastung für die Umwelt ausgeht. Beispielsweise beträgt der Volumenanteil des Kaliums etwa 100 ppm bis etwa 400 ppm, vorzugsweise etwa 280 ppm.

Die Duktilität des MoQ lässt sich weiter erhöhen, wenn der Haltestab vor dem Einbau in einem Bereich oberhalb 1800 ⁰ C ₁ vorzugsweise bei 2400 ⁰ C ₁ geglüht ist. Dieses Rekristallisationsglühen führt zwar zu einem MoQ mit geringem Festigkeitsverlust, jedoch ist das rekristallisierte Gefüge temperaturstabil, d. h., eine nachfolgende Verlötung des Haltestabs mit der Anode oder Kathode verändert die Eigenschaften des MoQ nicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Entladungslampe mit erfindungsgemäßen Haltestäben;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Haltestabs aus Figur 1 ;

Figur 3 eine Versuchsanordnung zur Durchführung von Biegeverformungen der Haltestäbe aus Figur 1 und

Figur 4 grafische Ergebnisse der Biegeverformungen aus Figur 3.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiseitig gesockelten Quecksilberdampf-Kurzbogenlampe (HBO) oder einer Xenon-Kurzbogenlampe (XBO). Diese hat ein Entladungsgefäß 4 aus Quarzglas mit einem Innenraum 6 und zwei diametral angeordneten, abgedichteten Kolbenschäften 8, 10, deren

freie Endabschnitte 12, 14 jeweils mit einer nicht dargestellten Sockelhülse versehen sind. In den Innenraum 6 ragen zwei diametral angeordnete Elektroden 16, 18, zwischen denen sich während des Lampenbetriebs eine Gasentladung ausbildet. In dem Innenraum 6 des Entladungsgefäßes 4 ist eine ionisierbare Füllung eingeschlossen, die im Wesentlichen aus Edelgas besteht.

Die Elektroden 16, 18 sind als zweiteiliges Elektrodensystem bestehend aus einem stromzuführenden Haltestab 20, 22 und einer, mit diesem verlöteten, entladungsseitigen Kopfelektrode 24 (Anode) bzw. Kopfelektrode 26 (Kathode) ausgeführt.

Zur Montage der Elektrodenköpfe 24, 26 an den Haltestäben 20, 22 sind die Elektrodenköpfe 24, 26 an der entladungsfernen Seite jeweils mit einer Sacklochbohrung 28, 30 versehen, in denen erste Endabschnitte 32, 34 der Haltestäbe 20, 22 befestigt sind.

Gemäß Figur 1 ist die Anode 24 als thermisch hochbelastete, tonnenförmige Kopfanode ausgeführt, bei der die Abstrahlleistung durch eine ausreichende Dimensionierung der Elektrodengröße verbessert ist. Die Kathode 26 ist zur Erzeugung hoher Temperaturen mehrteilig mit einer kegelförmigen Kopfkathode 36 ausgeführt, die auf einem zylindrischen Grundkörper 38 befestigt ist und gewährleistet, dass ein definierter Bogeπansatz und ein ausreichender Elektronenfluss aufgrund von thermischer Emission und Feldemission (Richardson-Gleichung) erzielbar sind.

Zum Halten der Elektroden 16, 18 in dem Entladungsgefäß 4, sind in den Kolbenschäften 8, 10 Halteelemente 40, 42 aus Quarzglas eingesetzt, die mit einer axial verlaufenden Durchgangsbohrung 44, 46 zur Aufnahme der Haltestäbe 20, 22 versehen sind.

Die Haltestäbe 20, 22 der Elektroden 16, 18 sind derart in den Durchgangsbohrungen 44, 46 geführt, dass diese in den Innenraum 6 reichen und dort die Elektrodenköpfe 24 bzw. 26 tragen. Sockelseitig sind die Haltestäbe 20, 22 jeweils über die Halteelemente 40, 42 hinaus verlängert und mit einem zweiten Endabschnitt 72, 74 in eine Aufnahmebohrung 45, 47 eines ringförmigen Haltetellers 48, 50 eingeführt.

An den Haltetellern 48, 50 schließt sich jeweils ein Quarzzylinder 52, 54 an, der in den Kolbenschaft 8, 10 eingeschmolzen ist und an dessen Außenumfang mehrere mit dem Halteteller 48, 50 verlötete Molybdänfolien 56, 58 angeordnet sind, so dass eine gasdichte Stromdurchführung ausgebildet ist. Dabei ist zur zusätzlichen Stabilisierung der Anode 24 der Haltestab 22 durch den Halteteller 50 hindurch in eine Bohrung 51 des Quarzzylinders 54 geführt.

Die Molybdänfolien 56, 58 sind an jeweils einem Endabschnitt 60, 62 mit dem Rand eines Kontakttellers 64, 66 verlötet, der zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden 16, 18 mit einem Stift 68, 70 verbunden ist.

Gemäß Figur 2 ist der erste Endabschnitt 32 und der zweite Endabschnitt 72 des kathodenseitigen Haltestabs 20 zur Aufnahme in den Bohrungen 28, 45 radial zurückgestuft. Die Befestigung des Haltestabs 20 in den Bohrungen 28, 45 erfolgt jeweils über eine Verlötung bei etwa 1800 ⁰ C.

Der erste Endabschnitt 32 ist in radialer Richtung weniger weit zurückgestuft als der zweite Endabschnitt 72. Der erste Endabschnitts 32 ist gemäß der Darstellung in Figur 1 in Axialrichtung länger als die Tiefe der Sacklochbohrung 28, wobei die Axiallänge zum Beispiel aus Stabilisierungsgründen auch so gewählt sein kann, das der Haltestab 20 mit einer entsprechenden Ringstirnfläche an der Kathode 26 angreift. Zum einfachen Einführen des ersten Haltestabs 20 in die Sacklochbohrung 28 ist der erste Endabschnitt 32 angefast.

Der zweite Endabschnitt 72 ist derart zurückgestuft, dass eine Ringstirnfläche 76 gebildet ist, über die der Haltestab 20 flächig an dem Halteteller 48 angreift. Dabei ist die Axiallänge des zweiten Endabschnitts 72 so gewählt, dass der Haltestab 20 den Halteteller 48 nicht durchsetzt.

Der nicht im Detail dargestellte anodenseitige Haltestab 22 ist ähnlich dem in Figur 2 beschriebenen kathodenseitigen Haltestab 20 ausgebildet. Der Unterschied besteht darin, dass der zweite Endabschnitt 74 des Haltestabs 22 über den Halteteller 50 hinaus verlängert ist, um in die Bohrung 51 des Quarzzylinders 54 einzutauchen. Die Verlängerung hat den Vorteil, dass die Anodenmasse ebenfalls von dem Quarzzylinder 54 aufgenommen wird und somit die Entladungslampe 2 stabiler ausgeführt ist.

Erfindungsgemäß bestehen die Haltestäbe 20, 22 aus Kalium dotiertem Molybdän (MoQ), wobei der Volumenanteil des Kaliums etwa 100 ppm bis etwa 400 ppm, vorzugsweise etwa 280 ppm oder etwa 300 ppm, beträgt. Die Anode 24 und die Kathode 26 bestehen vornehmlich aus Kalium dotiertem Wolfram (W-BSD) und die Halteteller 48, 50 vornehmlich aus MoQ.

MoQ verhält sich im nicht rekristallisierten Zustand ähnlich wie W-BSD. Beide Materialien weisen in diesem Zustand eine sehr hohe Festigkeit und eine relative gute Duktilität auf. Im nicht rekristallisierten Zustand hat W-BSD sogar eine höhere Biegefestigkeit Rm und eine höhere Biegestreckgrenze Rp als MoQ. Im kristallisierten Zustand ist W-BSD jedoch sehr spröde, was durch die Verlötung bei etwa 1800 ⁰ C noch verstärkt wird.

Im Gegensatz dazu zeigt MoQ nach einem Rekristallisationsglühen ab 2000 ⁰ C und einer anschließenden Verlötung bei etwa 1800 ⁰ C ein sehr duktiles Gefüge. Dieses Rekristallisationsglühen führt zwar zu einem geringen Festigkeitsverlust, jedoch ist dieses rekristallisierte Gefüge temperaturstabil, so dass die Verlötung der Haltestäbe 20, 22 mit den Elektroden 24, 26 sowie mit den Haltetellern 48, 50 die duktilen Eigenschaften des MoQ nicht ändert.

Haltestabbezogene Transportschäden treten bei herkömmlichen Entladungslampen im Wesentlichen unmittelbar in den Haltestäben und nicht im Bereich der Verlötung der Elektroden 24, 26 oder den Haltetellern 48, 50 sowie nicht im Bereich der Umschmelzung der Halteteller 48, 50 durch die Kolbenschäfte 8, 10 auf. Zur Bestimmung der Festigkeit der erfindungsgemäßen Haltestäbe 20, 22 im Vergleich zu bekannten Haltestäben aus W-BSD wurden Biegeverformungsversuchen durchgeführt. Eine entsprechende

Versuchsanordnung ist in Figur 3 dargestellt.

Die Versuchsanordnung umfasst eine bekannte Universal-Prüfmaschine 78 mit einem Auflagekörper 80, der auf einem Querhaupt 82 angeordnet ist. Die Haltestäbe 20, 22 werden einzeln über einer prismaförmigen Ausnehmung 84 des Auflagekörpers 80 liegend positioniert und durch Verfahren des Querhaupts 82 gegen einen ortsfesten Stempel 86 gedrückt, der mit einer Lastmessdose 88 in einem Lastrahmen 90 zur Messung der Belastung auf den jeweiligen Haltestab 20, 22 in Verbindung steht. Der Durchmesser der Haltestäbe 20, 22 beträgt gemäß üblichen Haltestabgeometrien 8 mm und die Breite B der Ausnehmung 84 beläuft

sich auf 10 mm. Die maximale Verfahrgeschwindigkeit des Querhaupts 82 beträgt 1000 mm/Min.

Die Ergebnisse der Biegeverformungen sind in der oberen A und unteren Grafik B der Figur 4 gezeigt, wobei in der Grafik A die Biegekraft F in KN über dem Biegeweg S in mm und in der Grafik B das Biegemoment M in Nm über dem Biegeweg S in mm aufgetragen ist. Ein bekannter Haltestab aus W-BSD verformt sich elastisch bei gleichzeitiger Entstehung von bruchrelevanten Anrissen. Bevor die theoretische Biegefestigkeit Rm erreicht ist, setzt ohne eine plastische Verformung ein Sprödbruch ein. Die gebrochenen Probehälften lassen sich derart an der Bruchstelle zusammenfügen, dass die Probe als unverformt erscheint. Die maximale Biegefestigkeit Rm liegt mit einer Glühbehandlung bei 1800 ⁰ C bei einen Wert von 581 N (Grafik A, Kurven b und c), was einen Biegemoment (= Last ^* freier Hebelarm) von 16 Nm (Grafik B, Kurven b und c) entspricht. Bei niedrigeren Glühtemperaturen, beispielsweise bei 150O ⁰ C ₁ liegt die Biegefestigkeit mit Rm = 888 N bzw. 26 Nm etwas höher (Kurven a).

Dagegen verformen sich erfindungsgemäße Haltestäben 20, 22 aus MoQ gemäß der oberen und unteren Grafik deutlich über die Biegestreckgrenze Rp hinaus, bevor im Material der Bruch einsetzt (Kurven d). Dabei ist die Verformung derart stark, dass ein Zusammensetzen der Proben kaum möglich und eine verbleibende Verbiegung von ca. 3-5 mm sichtbar ist. Nach der oberen Grafik hält ein bei 2400 ⁰ C mit einer Haltezeit von 5 Minuten vorgeglühter bzw. rekristallisierter MoQ- Haltestab 20, 22 mit 8 mm einer Biegelast von etwa 2632 N stand(Grafik A ₁ Kurve d) . Dies entspricht einem Moment von 76 Nm (Grafik B, Kurve d). Erst bei einer Last von etwa 3500 N würde der Haltestab 20, 22 brechen. Somit ist die Scherbruchfestigkeit (Biegestreckgrenze) etwa viermal so hoch wie die Festigkeit von bekannten Haltestäben aus W-BSD.

ähnliche Ergebnisse wie bei Haltestäben 20, 22 MoQ lassen sich mit Haltestäben 20, 22 aus Metall-Sauerstoffverbindungen dotiertem Wolfram erzielen. Vorteilhafte Metall-Sauerstoffverbindungen sind dabei Lanthanoxid, Yttriumoxid und Rheniumoxid.

Offenbart ist ein Haltestab 20, 22 für eine Entladungslampe 2, insbesondere eine Quecksilberdampf- oder Xenon-Kurzbogenlampe, zum Halten einer Anode 24 oder Kathode 26 in einem Innenraum 6 eines Entladungsgefäßes 4, wobei der

Haltestab 20, 22 dotiertes Molybdän oder mit zumindest einer Metall- Sauerstoffverbindung dotiertes Wolfram enthält. Des Weiteren ist eine Entladungslampe mit einem derartigen Haltestab 20, 22 offenbart.

- 11 -

Bezuqszeichenliste:

2 Entladungslampe

4 Entladungsgefäß

6 Innenraum

8 Kolbenschaft

10 Kolbenschaft

12 Endabschnitt

14 Endabschnitt

16 Elektrode

18 Elektrode

20 Haltestab

22 Haltestab

24 Anode

26 Kathode

28 Sacklochbohrung

30 Sacklochbohrung

32 erster Endabschnitt

34 erster Endabschnitt

36 Kopfkathode

38 Grundkörper

40 Halteelement

42 Halfeelement

44 Durchgangsbohrung

45 Aufnahmebohrung

46 Durchgangsbohrung

47 Aufnahmebohrung

48 Halteteller

50 Halteteller

51 Bohrung

52 Quarzzylinder

54 Quarzzylinder

56 Molybdänfolie

58 Molybdänfolie

60 Endabschnitt

- 12 -

Endabschnitt

Kontaktteller

Kontaktteller

Stift

Stift zweiter Endabschnitt zweiter Endabschnitt

Ringstirnfläche

Universal-Prüfmaschine

Auflagekörper

Querhaupt

Ausnehmung

Stempel

Lastmessdose

Lastrahmen