DE10132797A1

DE10132797A1 - Kurzbogenlampe mit verlängerter Lebensdauer

Info

Publication number: DE10132797A1
Application number: DE10132797A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ehrlichmann; Andreas Lochschmidt
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2002-05-02
Also published as: US20020079842A1; CA2354291A1; JP4958250B2; JP2002056806A

Abstract

Hochdruckentladungslampe mit zwei Elektroden innerhalb eines Entladungsgefäßes, das mit Quecksilber und/oder Edelgas gefüllt ist, wobei die Elektrode aus einem Schaft und einem darauf aufgesetzten Kopf besteht, wobei zumindest der Kopf einer Elektrode mindestens teilweise mit einer rheniumhaltigen Schicht überzogen ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Kurzbogenlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Quecksilber- Entladungslampen oder Xenon-Entladungslampen mit Hochdruckfüllung.

Stand der Technik

Aus der Schrift US-A 6 060 829 ist bereits eine Metallhalogenidlampe bekannt, für deren Elektrode ein Schaft aus Wolfram verwendet wird, der an seiner Oberfläche mit Rhenium beschichtet ist.

Aus der WO 00/08672 ist eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe be kannt, die eine dendritische Schicht aus Rhenium oder anderen hochschmelzenden Metallen verwendet. Darunter versteht man eine Nanostruktur, die von vielen nadelförmigen Aufwachsungen auf der sonst glatten Oberfläche gebildet wird. Die Oberfläche einer solchen dendritischen Schicht erscheint dunkel grau bis schwarz und erreicht einen Emissionskoeffizienten von über 0,8. Die Betriebstemperaturen können dadurch an einem Anodenplateau um bis zu 200 K gegenüber unbeschichteten Anoden gesenkt werden. Nachteilig an der artigen dendritischen Schichten ist der hohe Aufwand der Herstellung und die damit verbundenen hohen Kosten. Die Auftragung dendritischer Beschichtungen mittels CVD- oder PVD-Technik ist sehr kostspielig. Ferner haben Brenndauertest von hochbelasteten Lampen mit solchen Anodenbeschichtungen ergeben, dass auch die dendritischen Nadelstrukturen im Laufe der Lebensdauer ihre Ausgangsform verlieren und somit die Anode ihre ursprünglich gute Emissivität verliert.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurzbogenlampe gemäß dem O berbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine hohe Lebensdauer besitzt, und die eine geringe Neigung zur Schwärzung besitzt.

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

Erfindungsgemäß ist der Kopf der Elektrode mit einer glatten, emissionserhöhenden Beschichtung aus Rhenium versehen.

Aufgrund der hohen Elektrodentemperaturen in Kurzbogenlampen kommt es an den Elektrodenspitzen zur Verdampfung von Elektrodenmaterial, das sich auf der Innenseite des Lampenkolbens niederschlägt und dadurch zur Schwärzung des Kolbens führt. Diese Schwärzung bewirkt zwangsläufig einen Lichtstromrückgang.

Speziell in der Photolithographie zur Herstellung von Halbleitern führt eine Licht stromabnahme aufgrund verlängerter Belichtungszeiten zu verlängerten Produkti onszeiten und kann im Extremfall einen vorzeitigen Lampenwechsel erfordern.

Generell nimmt der Dampfdruck beliebiger Stoffe mit steigender Temperatur expo nentiell zu. So auch bei dem Elektrodenmaterial Wolfram. Eine Absenkung der Elektrodenspitzentemperaturen um nur 100° bedeutet schon eine erhebliche Redu zierung des Dampfdrucks. Dadurch wird der Materialabtrag an den Elektroden spitzen merklich reduziert und somit auch die Kolbenschwärzung verringert. Eine solche Temperaturabsenkung kann durch eine emissionserhöhende Beschichtung der Elektrode erzielt werden.

Verschiedene Materialanproben von Sinterschichten wurden in zahlreichen Versu chen getestet. Dabei wurde Rhenium als geeignetes Material für Sinterschichten gefunden, das die Nachteile der bisherigen Lösungen vermeidet:

- Rhenium zeigt gegenüber Metallkarbiden, insbesondere TaC, keine Zerset zung.
- Rhenium besitzt eine höhere Emissivität als Wolfram, sodass selbst glatte Oberflächen stärker emittieren. Poröse Rhenium-Sinterschichten bleiben selbst dann noch wirksam, wenn sie aufgrund hoher Betriebstemperaturen zu einer glatten Fläche versintern.
- Die Auftragung einer Rheniumsinterschicht ist kostengünstig im Vergleich zur Herstellung dendritischer Strukturen.

Der Einsatzbereich dieser kostengünstigen Rhenium-Beschichtung erstreckt sich deshalb auf einen höheren Temperaturbereich.

Temperaturmessungen von Anoden haben gezeigt, dass die Betriebstemperaturen in Lampen unmittelbar um das Plateau der Anoden mit Rheniumsinterschichten 90 K niedriger liegen als bei baugleichen Anoden mit Wolframsinterschichten (siehe Graphik 1). Bei den weiter zurückgezogenen Tantalkarbidschichten wurden sogar Temperaturdifferenzen von bis zu 140 K gegenüber Rhenium gemessen.

Die abgestrahlte Leistung eines thermischen Strahlers wird durch das Stefan- Boltzmann-Gesetz beschrieben:

L = ε.σ.T⁴

Dabei ist σ = 5,67.10^-8 W m^-2 K^-4 die Stefani-Boltzmann-Konstante. Der Emissions koeffizient ε beschreibt die Abweichung eines thermischen Strahlers (0 < ε < 1) von einem idealen schwarzen Strahler (ε = 1).

Die Strahlungsleistung eines thermischen Strahlers wird um so größer, je höher die Temperatur ist. Ein größerer Emissionskoeffizient führt bei hohen Temperaturen zu einer wesentlich stärkeren Abstrahlung.

Umgekehrt besagt dieses Gesetz, dass mit einer größeren Emissivität eine be stimmte Wärmemenge bei einer niedrigeren Temperatur in Form von Wärmestrah lung abgegeben werden kann.

Die der Anode zugeführte Leistung ist im wesentlichen auf die auf den Plateaube reich auftreffenden Elektronen zurückzuführen. Wesentlich für die Erhitzung der Anode ist der Durchmesser der Anode in unmittelbarer Nähe der Spitze. Erfah rungsgemäß ist die Querschnittsfläche in 2 mm Abstand von der Spitze ein guter Anhaltspunkt für die Erfassung der Strombelastung der Anodenspitze.

Die Maximaltemperatur der Anodenspitze wird mit der Beziehung

T = 253.³√P/√01R (I)

sehr gut erfasst.

Dabei bedeutet P die der Anode zugeführte Leistung. Diese Leistung besteht im wesentlichen aus der Eintrittsarbeit der Elektronen und der Anodenfallspannung: I .5.5 V.

R ist der Radius der Anode in mm in 2 mm Abstand von der Spitze.

Lampen mit einer Anodenspitzentemperatur von über 2300 K neigen zu einer schnellen Versinterung der porösen Wolframbeschichtung.

Gerade hier kommt der Vorteil von Rhenium zum tragen: Aufgrund seines höheren Emissionskoeffizienten strahlt die Anode selbst mit einer glatten Rheniumschicht mehr Wärme ab. Der Auftrag einer porösen Rheniumschicht ist trotzdem vorteil haft, da er bei geringeren Temperaturen zu einer zusätzlichen Emissionserhöhung führt.

Anodenspitzentemperaturen über 2300 K werden gemäß Gleichung (I) erreicht, wenn der Anodenradius einen kritischen Wert unterschreitet: R < 10(253/2300)² (I. 5.5)^2/3.

Die bessere Kühlwirkung einer Rheniumsinterschicht wurde auch im Lampenbe trieb verifiziert. Die Degradation von Lampen fällt bei Anoden mit Rheniumsinter schichten geringer aus als mit Wolframsinterschichten. Als Beispiel wird eine Quecksilber Kurzbogenlampe mit 3400 W Leistung gezeigt. Der Strom dieser Lampe beträgt 148 A. Die Anode dieser Lampe hat einen Durchmesser von 7 mm im Ab stand von 2 mm hinter der Spitze. Der Lichtstromverlust der Lampe mit der Rheni umbeschichtung wurde zu 8% nach 1500 h gemessen, während die baugleiche Lam pe mit Wolframsinterschicht um 14% degradierte (siehe Fig. 4b).

Dem aufgebrachten Rhenium kann aus Kostengründen Wolfram oder ein anderes hochschmelzendes Metall zugesetzt werden, wobei allerdings der Nutzen gegen über reinem Rhenium abnimmt.

Diese Beschichtung ist umso wirkungsvoller einsetzbar, je höher deren maximale Einsatztemperatur ist. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass die Wärmeabstrah lung der Elektrodenoberfläche proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist. Die heißesten Bereiche einer Elektrode tragen daher überproportional zur gesamten Wärmeabstrahlung bei. Die Beschichtung derartiger Bereiche ist deshalb besonders wirkungsvoll.

Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf Quecksilber-Kurzbogenlampen und Edelgas-Hochdrucklampen, insb. Xenon-Hochdrucklampen, mit zwei Elektro den, die voneinander beabstandet sind. Zumindest eine Elektrode besteht aus einem Schaft und einem darauf aufgesetzten Kopf. Zumindest der Kopf einer Elektrode ist teilweise oder vollständig mit einer rheniumhaltigen Schicht überzogen. Dabei soll der Anteil des Rheniums in der Schicht mindestens 30 Gew.-% betragen, damit die spezifische Wirkung des Rheniums noch zum Tragen kommt. Besondere Wirkung entfaltet die Erfindung in Zusammenhang mit Lampen mit hoher Strombelastung, bevorzugt mehr als 60 A. Bei solchen Lampen wird vorrangig die Anode durch die auftreffenden Elektronen thermisch stark belastet und bedarf daher dieser Schicht. Bevorzugt beträgt der Elektrodenabstand zwischen 2 und 10 mm.

Die Schichtdicke der Rheniumhaltigen Schicht liegt zwischen einem und 1000 µm, bevorzugt ist die Wirksamkeit am ausgeprägtesten ab einer Schichtdicke von 10 µm. Oberhalb einer Schichtdicke von 200 µm können Probleme bei der Haftung der Schicht entstehen, infolge der Temperaturwechselwirkung. Die Verarbeitung des Pulvers gelingt am besten bei einer mittleren Korngröße, die zwischen 1 und 20 µm liegt, insbesondere bei 4 bis 6 µm. Damit lassen sich die Schichten in an sich bekann ter Weise mittels Tauchen oder Pinseln aufbringen (bei großer Schichtdicke) oder auch mittels Plasmaspritzverfahren oder CVD (bei geringer Schichtdicke).

Der Kopf der Elektrode kann an seiner Spitze, wo die Temperaturbelastung am höchstens ist, teilweise frei von der rheniumhaltigen Schicht sein. Bevorzugt ist ein Bereich an der Spitze des Elektrodenkopfs frei von der rheniumhaltigen Schicht, insbesondere die Bogenansatzfläche an der Stirnseite der Elektrode (vor allem bei gerader Stirnfläche, siehe Fig. 2) und höchstens bis zu einem Abstand von 2 mm in axialer Richtung weg von der Spitze, beispielsweise im Falle einer abgerundeten Bogenansatzfläche.

Da die Wirksamkeit der Beschichtung mit der Temperaturbelastung, der sie ausgesetzt ist, abnimmt, versteht es sich von selbst, dass das hintere Ende des Elektrodenkopfes nicht unbedingt beschichtet sein muss. Dies gilt insbe sondere für einen Bereich von mindestens 20% der axialen Länge am Ende des Elektrodenkopfs.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläu tert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kurzbogenlampe, im Schnitt;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Elektrode;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode;

Fig. 4 einen Vergleich der Temperaturbelastung (4a) und des Brenndauer verhaltens (4b) zwischen einer Rhenium- und Wolframbeschichteten Elektrode.

Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist schematisch eine Quecksilber-Kurzbogenlampe (1) dargestellt. Ein zweiseitig verschlossenes Entladungsgefäß 5 enthält eine Anode (2) und gegenüber liegend eine Kathode (3). Der Abstand der Elektroden beträgt 4.5 mm. Die Lampe wird mit einer Leistung von 3400 W bei einem Strom von 148 A betrieben. Das Entla dungsgefäß ist mit 1.4 bar Xenon und 2.5 mg Quecksilber pro cm³ gefüllt. Die Ano de besteht aus einem zylindrischen Schaft 6 und einem darauf aufgesetzten massi ven zylindrischen Kopf 7.

In Fig. 2 ist ein Anodenkopf 7 mit einer kegelförmigen Spitze (3) und in Fig. 3 ein Kopf 7 mit einer radiusförmigen Spitze (4) gezeigt. Für die Berechnung der Tempe ratur ist die Anodenbelastung in 2 mm Abstand von der Spitze (3; 4) ausschlagge bend. Der dortige Radius ist in Fig. 2 und 3 mit R gekennzeichnet. Der Anodenkopf 7 ist in Fig. 2 vollständig mit Rhenium beschichtet (10), mit Ausnahme der entla dungsseitigen Stirnfläche. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Schicht aus Rhenium nur ausschnittweise gezeigt. In Fig. 3 ist der Anodenkopf teilweise mit Rhenium beschichtet, und zwar beginnt die Schicht 11 bei einem Abstand von 2 mm von der Spitze und endet an der Kante zum abgeschrägten Endstück 12 des Kopfes.

Die Rheniumschicht ist in beiden Ausführungsbeispielen 50 µm dick, wobei als mittlere Korngröße ein Teilchendurchmesser von 5 µm gewählt ist.

Fig. 4a zeigt einen Vergleich der Betriebstemperaturen zweier gleichartiger Anoden im Abstand bis zu 4 mm von der Anodenspitze. Der Vergleich der mit Rhenium beschichteten Anode zu einer mit Wolfram beschichteten Anode zeigt die geringere Temperaturbelastung bei Verwendung von Rhenium. Fig. 4b zeigt einen Vergleich der Maintenance zweier gleichartiger Anoden. Sie zeigt die Lichtstromabnahme beider Lampen über eine Brenndauer von 1500 Stunden. Bei der mit Rhenium be schichteten Version ist der Abfall deutlich schwächer.

Claims

1. Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe mit zwei, voneinander beabstande ten Elektroden innerhalb eines Entladungsgefäßes, das mit Quecksilber und/oder Edelgas gefüllt ist, wobei zumindest eine erste Elektrode aus ei nem Schaft und einem darauf aufgesetzten Kopf besteht, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest der Kopf der ersten Elektrode mindestens teilweise mit einer rheniumhaltigen Schicht überzogen ist.

2. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edel gas Xenon ist.

3. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rhe niumgehalt der Schicht mindestens 30D Gew.-% ist.

4. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lam pe eine Gleichstromlampe ist, deren erste, beschichtete Elektrode die Anode ist, wobei der Anodenradius R (in mm) im Abstand von 2 mm von der Ano denspitze folgende Bedingung erfüllt:
R < 10(253/2300)²(I.5.5)^2/3, wobei I der Strom (in A) ist.

5. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rhe niumhaltige Schicht auf der ersten Elektrode eine Schichtdicke zwischen 1 und 1000 µm, bevorzugt 10 bis 200 µm, besitzt.

6. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lam penstrom größer 60 A ist.

7. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elekt rodenabstand der kalten Lampe zwischen 2 und 10 mm liegt.

8. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rheniumhaltige Schicht auf der ersten Elektrode eine mittlere Korn größe zwischen 1 und 20 µm, bevorzugt 4 bis 6 µm, besitzt.

9. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich an der Spitze des Elektrodenkopfs frei von der rheniumhalti gen Schicht ist, insbesondere die Bogenansatzfläche und höchstens bis zu einem Abstand von 2 mm in axialer Richtung weg von der Spitze.

10. Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich am hinteren Ende des Elektrodenkopfs frei von der rhenium haltigen Schicht ist, insbesondere ein Bereich von mindestens 20% der Länge des Elektrodenkopfs.