DE102006035116A1

DE102006035116A1 - Leuchtkörper für eine Glühlampe und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102006035116A1
Application number: DE102006035116A
Authority: DE
Inventors: Axel Bunk; Matthias Dr. Damm; Georg Rosenbauer
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-01-31
Also published as: US20100187969A1; DE112007001598A5; WO2008012277A3; CN101496135A; WO2008012277A2

Abstract

Eine derartige Lampe verwendet einen Draht für den Leuchtkörper, dessen Durchmesser von außen nach innen hin zunimmt. Das Herstellverfahren basiert entweder auf einem Abscheideverfahren oder einem Abtragungsverfahren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Leuchtkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Leuchtkörper werden für die Allgemeinbeleuchtung und für fotooptische Zwecke verwendet. Des weiteren wird ein zugehöriges Herstellverfrahren beschrieben.
Stand der Technik
Die Lebensdauer von Lampen, bei welchen die Lichterzeugung auf dem Prinzip der Glühemission beruht, wird meist durch die Verdampfung bzw. Zersetzung des Leuchtkörpermaterials bestimmt.
So wird die Lebensdauer von Lampen mit Glühkörpern aus Wolfram (d.h. Glühlampen bzw. Halogenglühlampen) meist durch die Verdampfung des Wolframs bestimmt. Daneben gibt es noch eine große Anzahl weiterer Ausfallmechanismen, z.B. Wendelendenkorrosion durch chemischen Angriff eines Halogenzusatzes auf das kältere Wendelende, Durchschmelzen der Wendel nach Entstehung eines Lichtbogens, Versagen der Wendel durch abgleitende Korngrenzen, usw.. Diese Mechanismen spielen jedoch meist nur bei einzelnen Lampentypen (z.B. ist die Lichtbogenbildung bei einigen besonders hochbelasteten Lampentypen die primäre Ausfallursache) bzw. bei fehlerhaften Lampen (z.B. Lampen mit einem erhöhten Verunreinigungspegel an Sauerstoff) eine Rolle. Die meisten Glühlampen sind so ausgelegt bzw. werden so betrieben, dass das Lebensdauerende letztendlich durch die Wolframverdampfung bestimmt wird. Das abgedampfte Wolfram wird in Richtung der Kolbenwand transportiert.
Ähnlich verhält sich die Situation bei Lampen mit Leuchtkörpern aus Metallcarbid. Lampen mit Leuchtkörpern aus Tantalcarbid haben den Vorteil, dass sie bei um ca. 500 K höheren Temperaturen betrieben werden können als Lampen mit Leuchtkörpern aus Wolfram. Allerdings kommt es bei höheren Temperaturen zu einer raschen Zersetzung des Tantalcarbids gemäß 2 TaC <s> → Ta₂C <s> + C <g>, wobei das spröde und bei niedrigeren Temperaturen schmelzende Tantalsubcarbid entsteht, vgl. z.B. Becker/Ewest. „Die physikalischen und strahlungstechnischen Eigenschaften des Tantalcarbids", Zeitschrift für technische Physik, Nr. 6, S.216 f. (1930). Der bei dieser Decarburierungsreaktion entstehende gasförmige Kohlenstoff wird in Richtung der Kolbenwand transportiert.
Um die Abscheidung der vom Leuchtkörper abgedampften Materialien – d.h. z.B. von Wolfram bei Lampen mit einem Glühkörper aus Wolfram und Kohlenstoff bei Lampen mit einem Glühkörper aus Kohlenstoff oder Metallcarbiden – an der Kolbenwand zu vermeiden, bedient man sich sogenannter Kreisprozesse. Als Beispiele seien genannt:
(a) Wolfram-Halogen-Kreisprozess
Das vom Leuchtkörper abdampfende Wolfram verbindet sich bei niedrigeren Temperaturen nahe der Kolbenwand zu Wolframhalogeniden, welche bei Temperaturen oberhalb ca. 200°C flüchtig sind und sich nicht an der Kolbenwand abscheiden. Dadurch wird ein Ausfall von Wolfram an der Kolbenwand verhindert. Die Wolframhalogenidverbindungen werden durch Diffusion und ggf. auch Konvektion zum heißen Leuchtkörper zurücktransportiert, wo sie sich zersetzen. Das dabei frei gewordene Wolfram wird wieder an den Leuchtkörper angelagert. Zum Halogenkreisprozess in Halogenlampen mit einem Glühkörper aus Wolfram existiert eine umfangreiche Literatur. Zu Eigenschaften diverser Halogenkreisprozesse in Halogenlampen siehe z.B. „Optische Strahlungsquellen", Kapitel 4 „Halogen-Glühlampen", Lexika Verlag, 1977 und die darin zitierte Literatur.
(b) Kohlenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess bei TaC Lampen
Der bei Zersetzung des TaC entstehende gasförmige Kohlenstoff wird in Richtung der Kolbenwand transportiert, wo er mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen wie Methan reagiert. Diese Kohlenwasserstoffe werden zum heißen Leuchtkörper zurück transportiert, wo sie sich wieder zersetzen. Der Kohlenstoff wird dabei wieder freigesetzt und kann sich an den Leuchtkörper anlagern, vgl. z.B. US-A 2 596 469 , US-A 3 022 438 .
Die Verdampfung eines Materials von Leuchtkörper – also z.B. die Abdampfung von Wolfram bei einer Lampe mit einem Leuchtkörper aus Wolfram bzw. die Abdampfung von Kohlenstoff von einer Lampe mit einem Leuchtkörper aus Metallcarbid – erfolgt nicht homogen über den gesamten Leuchtkörper. Es entstehen vielmehr lokal begrenzte Stellen, an denen eine erhöhte Abdampfung erfolgt und an denen der Leuchtkörper schließlich auch ausfällt. Der Ausfallmechanismus lässt sich zumindest prinzipiell mit dem „Hot-Spot-Modell" beschreiben, wie für Lampen mit Wolfram-Wendel dargestellt z.B. in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Philips techn. Rdsch. 32, 165–175 (1971/72). Bedingt durch eine kleine „Störung" entlang des Leuchtkörperdrahtes, z.B. durch einen erhöhten Leistungseintrag an einer Korngrenze, einer geringen lokalen Änderung der Materialdaten, einer lokal begrenzten Verringerung des Drahtdurchmessers, einer lokalen Verunreinigung im Leuchtdraht, einem zu geringen Abstand zweier Windungen bei Gebrauch von Wendeln usw. kommt es zu einer geringfügigen lokal begrenzten Erhitzung einer Stelle gegenüber der Umgebung (lokale Begrenzung auf max. 2 Windungen). Die lokale Erhöhung der Temperatur bewirkt, dass von dieser Stelle verstärkt Material abdampft und diese Stelle somit bevorzugt gegenüber der Umgebung verjüngt wird, wodurch der Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Da die Erhöhung des Widerstands auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, ändert sich dadurch der Gesamtwiderstand des Leuchtkörpers praktisch nicht oder wird lediglich um einen erheblich geringeren Bruchteil erhöht als der Widerstand an der betrachteten Stelle. An der eng begrenzten Stelle mit erhöhtem Widerstand erfolgt ein erhöhter Leistungseintrag, weil derselbe bzw. nur vergleichsweise gering fügig erniedrigte Strom durch diese jetzt einen erhöhten Widerstand aufweisende Stelle fließt. Dadurch wird die Temperatur weiter erhöht, was wiederum die Verjüngung dieser Stelle gegenüber der Umgebung beschleunigt usw.. Auf die beschriebene Weise beschleunigt sich die Ausbildung einer dünnen Stelle von selbst und führt schließlich zum Durchbrennen des Leuchtdrahtes an dieser Stelle. Bei Lampen aus Metallcarbiden wie Tantalcarbid kommt als weiterer Effekt gegenüber Glühkörpern aus Wolfram hinzu, dass das bei der Kohlenstoff-Verdampfung entstehende Subcarbid Ta₂C einen um einen Faktor von mehr als 3 höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als TaC, vgl. z.B. S, Okoli, R. Haubner, B. Lux, „Carburization of tungsten and tantalum filaments during low Pressure diamond deposition", Surface and Coatings Technology, 47 (1991), 585–599. Dieser Einfluss führt dazu, dass sich der destruktive Mechanismus bei Leuchtkörpern aus Tantalcarbid noch schneller aufschaukelt als bei solchen aus Wolfram.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung bzw. Zurückdrängung des oben beschriebenen Fehlermechanismus besteht nun darin, das vom Leuchtkörper abgedampfte Material durch Verwendung geeigneter Kreisprozesse gezielt zur heißesten Stelle am Leuchtkörper zurück zu transportieren; man spricht dann von sogenannten „regenerativen Kreisprozessen".
Die heute in Halogenlampen mit Glühwendel aus Wolfram eingesetzten Kreisprozesse, welche Brom oder Jod als aktive Halogenkomponenten entfalten, sind nicht regenerativ, weil sich Wolfram-Brom bzw. Wolfram-Jod-Verbindungen bereits bei Temperaturen weit unter 2000 K zersetzten. Das Wolfram wird somit meist bereits an Stellen niederer Temperatur abgelagert bzw. unspezifisch am Leuchtkörper abgeschieden; in jedem Fall nicht selektiv zu den Orten höchster Temperatur zurück transportiert. Damit hat der Kreisprozess keinen die Lebensdauer verlängernden Effekt. Zur Erreichung eines regenerativen Kreisprozesses benötigt man chemische Reaktionssysteme, bei denen im fraglichen Temperaturbereich meist oberhalb 2800 K die Zunahme der Abdampfungsgeschwindigkeit des Wolframs mit steigender Temperatur durch die Zunahme der Abscheidungsgeschwindigkeit von Wolfram nach der Zersetzung von Wolframverbindungen kompensiert bzw. leicht überkompensiert wird. Für Lampen mit Glühwendeln aus Wolfram stellt das System Wolfram-Fluor ein geeignetes chemisches Reaktionssystem dar, vgl. z.B. Schröder, PHILIPS Techn. Rundschau 1963/64, S. 359. Bei der thermischen Zersetzung von Wolfram – Fluor – Verbindungen wird Wolfram – je nach Dosierung des Fluors bzw. der Gegenwart weiterer Komponenten – erst bei Temperaturen zwischen 2000K und 3500 K freigesetzt bzw. abgeschieden. Einer Anwendung des Fluors steht jedoch die chemische Reaktivität von Fluor bzw. Fluor enthaltenden Verbindungen im Wege; so reagiert Fluor an der Kolbenwand aus Glas zu SiF₄ und wird damit dem Kreisprozess entzogen. Ein Schutz des Glaskolbens – z.B. durch Beschichtung mit AlF₃, Al₂O₃ (welches durch Reaktion mit Fluor eine passivierende AlF₃ Schicht bildet)- bzw. die Verwendung gegen Fluor inerter Materialien ist daher erforderlich. Diese Maßnahmen führen zu einer deutlichen Verteuerung der Lampe.
Der bei Lampen mit einem Leuchtkörper aus Metallcarbiden zum Teil eingesetzte oben erwähnte Kohlenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess ist nicht regenerativ, weil sich die Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen meist schon bei Temperaturen unterhalb 1000 K nahezu vollständig zersetzen.
Sofern kein regenerativer Kreisprozess zur Ausheilung von „Hot-Spots" zur Verfügung steht bzw. aus Kostengründen nicht umgesetzt werden kann, kann man versuchen, sich mit anderen Maßnahmen helfen, um die Lebensdauer bei einer gegebenen Lichtausbeute zu erhöhen. Z.B. kann man den Dampfdruck des Leuchtkörpermaterials reduzieren (vgl. z.B. DE 10 2005 057 084.4 für Lampen mit einem Leuchtkörper aus Metallcarbid); oder man kann den Leuchtkörper in einem kontinuierlichen Strom desjenigen Materials, welches von ihm abdampft, stabilisieren wird (vgl. z.B. DE 10 2005 052 044.5 ), usw.. Alle aus der Praxis gut bekannten Maßnahmen, welche den Transport des vom Leuchtkörper abdampfenden Materials verlangsamen, also z.B. eine Erhöhung des Fülldrucks, die Verwendung von möglichst schweren Inert gasen, die Verwendung von die Wärmeleitung reduzierenden Konstruktionen führen zu einer zumindest mäßigen Erhöhung der Lebensdauer bei konstanter Lichtausbeute auch bei Abwesenheit eines regenerativen Kreisprozesses. Eine Glättung des Temperaturprofils der Wendel durch Modulation der Wendelsteigung bei konstantem Drahtdurchmesser wie z.B. in DE–U 83 12 136 beschrieben trägt ebenfalls zur Erhöhung der Lebensdauer bei. Alternativ kann auch durch ein Zusammensetzen von Wendeln mit verschiedenen Eigenschaften gemäß DD 247 769 A1 das Temperaturprofil längs der Wendel beeinflusst werden.
Im Folgenden wird auf die Option, das Temperaturprofil durch eine Variation des Querschnitts des Wendeldrahts zu glätten und dadurch die Lebensdauer für eine gegebene Lichtausbeute zu erhöhen, etwas detaillierter eingegangen.
Der folgenden Betrachtung liegt die Beobachtung zugrunde, dass es bei Lampen, bei welchen die Lichtemission auf dem Prinzip der Glühemission beruht, es im Lampenbetrieb zur Ausbildung eines Temperaturprofils längs des Leuchtkörpers kommt. Es erfolgt eine Wärmeableitung über die Stromzuführungen, was dazu führt, dass die Temperaturen an Orten nahe der Stromzuführungen deutlich unter denjenigen in der Mitte zwischen den Stromzuführungen liegt. Zudem spielt der Strahlungstransport innerhalb der Wendel eine wichtige Rolle. Dabei wird die von einer Windung der Wendel nach innen emittierte Strahlung von den Innenseiten anderer Windungen zumindest teilweise absorbiert. Der nicht absorbierte Teil der Strahlung wird reflektiert. Je geringer der Abstand zwischen den Innenseiten zweier Windungen, um so stärker ist der Strahlungstransport zwischen ihnen, weil die Strahlung empfangende Fläche einen größeren Raumwinkel um die emittierende Fläche „abschattet". Daraus ergibt sich sofort, dass auch der Strahlungstransport dazu führt, dass sich ein Temperaturprofil längs der Wendel ausbildet, welches sein Maximum in der Wendelmitte hat, weil die Summe aller Abstände von einer Windung zu den anderen Windungen für die Windung in der Wen delmitte minimal wird. Zudem kommt es zu einem starken Strahlungsport zwischen den Seitenflächen direkt benachbarter Windungen.
In Lampen mit wendelförmigen Glühkörpern befindet sich der Ort höchster Temperatur somit meist nahe der Wendelmitte, während die Temperaturen nahe den Wendelenden deutlich niedriger liegen. Je dicker bzw. kürzer der Leuchtdraht, umso steiler ist in der Regel das Temperaturprofil längs der Wendel, d.h. umso größer sind die Temperaturunterschiede zwischen der Wendelmitte und den Wendelenden. Das Temperaturprofil längs der Wendel hat einen wichtigen Einfluss auf die Transportraten. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, zwischen radialen und axialen Transportraten zu unterscheiden, wie z.B. in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Philips techn. Rdsch. 32, 165–175 (1971/72) dargestellt. Der radiale Transport beschreibt den Transport des vom Leuchtkörper abdampfenden Materials in Richtung der Kolbenwand. Er ist u.a. proportional der Abdampfungsgeschwindigkeit des Materials vom Leuchtkörper. Kann man – wie in den meisten Fällen in der Praxis – davon ausgehen, dass sich an der Oberfläche des Leuchtkörpers der Gleichgewichtsdampfdruck einstellt, so ist die Transportrate für den radialen Transport proportional dem Gleichgewichtsdampfdruck an der Oberfläche des Leuchtkörpers. Die Rate für den axialen Transport ist proportional dem Gradienten der Abdampfungsgeschwindigkeiten des Materials längs der Wendelachse, bzw. in der zuvor beschriebenen in der Regel brauchbaren Näherung dem Gradienten der Gleichgewichtsdrücke längs der Wendelachse. Je steiler das Temperaturprofil längs der Wendelachse, desto größer sind die Gradienten für die Gleichgewichtsdrücke; und desto größer sind die Raten für den axialen Transport.
Durch eine Modulierung der Drahtdicke lässt sich eine Nivellierung des Temperaturprofils längs der Wendel zu erreichen. Zur Erläuterung wird daher zunächst der Einfluss des Drahtdurchmessers auf die Drahttemperatur betrachtet. Führt man z.B. eine geringfügige Verdickung des Drahtes in der Wendelmitte durch, so erhält man bei zunächst als konstant angenommenen Strom eine Absenkung der Temperatur in der Mitte des Leuchtkörpers, zurückzuführen im Wesentlichen auf den verringerten Leistungseintrag an dieser Stelle durch den geringeren elektrischen Widerstand, aber auch durch andere Effekte wie eine stärkere Kühlung durch eine größere strahlende Fläche. Das Umgegehrte gilt bei einer Verringerung des Drahtdurchmessers. Möchte man also das Temperaturprofil längs der Wendelachse glätten, so muss man in der Wendelmitte weniger Leistung eintragen bzw. mehr Leistung dissipieren als an den Wendelenden. Dies kann man dadurch erreichen, dass man den Durchmesser des Wendeldrahts in der Wendelmitte größer auslegt als an den Wendelenden. Dann wird wegen des geringeren elektrischen Widerstands in der Wendelmitte weniger Leistung eingetragen als an den Wendelenden, was in Richtung einer Abflachung des Temperaturprofils wirkt.
Wesentlich hinsichtlich des Einflusses auf die Lebensdauer ist die Summe aus axialem und radialem Transport, die an einer Stelle längs des Leuchtkörpers ein Maximum annimmt. Dieses Maximum des Materialabtrags bestimmt die Lebensdauer. Das Ziel der Modulation der Drahtdicke insgesamt ist, das die Lebensdauer der Lampe bestimmende Maximum der Summe aus axialem und radialem Transport zu minimieren. In diesem Sinne ist eine über den Leuchtkörper vollkommen homogene und an den Wendelenden steil abfallende Temperaturverteilung nicht ideal. Dann wäre der axiale Transport im Gewickel zwar gleich null, an den Wendelenden jedoch erhält man einen sehr starken Transport längs der Stromzuführungen, dem zudem der noch sehr starke radiale Transport überlagert ist. Die Wendel fällt dann an den Wendelenden bzw. Stromzuführungen rasch aus. Besser ist es, bei hohen Temperaturen im Gewickel den Temperaturabfall so auszulegen, dass die Summe aus radialem und axialem Transport sich möglichst nicht verändert. Im allgemeinen wird in einem solchen Fall der axiale Transport zu den Wendelenden hin zunehmen, was aber durch eine Abnahme des radialen Transports mit fallender Temperatur kompensiert werden kann.
Eine Möglichkeit, den Querschnitt des Leuchtdrahts in der gewünschten Weise zu variieren, besteht darin, im Bereich des Leuchtkörpers nahe den Stromzuführungen Material durch elektrolytischen Abtrag zu entfernen wie in DD 217 084 A1 beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wie in J. Schröder, „Profilierung von Wolframwendeln in Glühlampen durch chemische Transportreaktionen", Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) beschrieben, durch Verwendung eines Transportmittels Wolfram in kälteren Bereichen abzutragen und in heißeren Bereichen wieder abzuscheiden. Z.B. lässt sich durch Betrieb der Glühwendel in einer Atmosphäre aus einem Inertgas und Fluor Wolfram an kälteren Stellen abtragen und an heißeren Stellen wieder abscheiden, was zu einer Glättung des Temperaturprofils führt. Durch die im folgenden beschriebenen Maßnahmen soll eine Verlängerung der Lebensdauer bei konstanter Lichtausbeute bei Abwesenheit eines regenerativen Kreisprozesses erreicht werden, indem durch eine Modulierung des Querschnitts des Leuchtkörpers die Transportraten längs der Wendel abgesenkt werden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Leuchtkörper die Lebensdauer zu erhöhen und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, den Querschnitt des Leuchtkörpers durch einen Abscheidungs- oder Abtragsprozess zu variiren, was in aller Regel kontinuierulich geshcieht, woraus wesentliche Vorteile gegenüber dem in DD 217 084 A1 beschriebenen elektrolytischen Abtragsprozess als auch gegenüber dem in Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) beschriebenen Materialumlagerungsprozess resultieren, worauf weiter unten im Detail eingegangen wird.
Zur gezielten Einstellung eines über den Bereich der Wendel möglichst flachen Temperaturprofils bietet es sich an, eine geeignete Rückreaktion von bekannten Kreisprozessen zu verwenden. Dazu wird die Wendel durch Anlegen einer geeigneten Spannung in einen solchen Temperaturbereich gebracht, dass sich die das Wendelmaterial transportierenden chemische Verbindung bei den höchsten Temperaturen nahe der Wendelmitte nahezu vollständig zersetzt. Dies führt dazu, dass beim Betrieb der Glühwendel in einem Gasstrom, welcher u.a. die fragliche chemische Komponente enthält, man den größten Zuwachs der Drahtdicke durch Abscheidung nahe der heißen Wendelmitte erhält, während die Zunahme der Drahtdicke nahe den Wendelenden vergleichsweise gering ausfällt. Dabei handelt es sich – zumindest über das Temperaturintervall, in welchem sich die Abscheidungsraten stark mit der Temperatur ändern – um ein selbstregulierendes System. Die verstärkte Abscheidung in der Lampenmitte führt dazu, dass sich dort die Leuchtkörpertemperatur stärker abkühlt als an den Orten nahe der Wendelenden, was wiederum bewirkt, dass sich mit verringerndem Temperaturunterschied zwischen der Wendelmitte und den Wendelenden die Differenz der Abscheidungsraten verringert. Das System arbeitet somit selbstregulierend, d.h. die Differenz der Abscheidungsraten zwischen Wendelmitte und Wendelenden bewirkt, dass das Temperaturprofil abflacht, was wiederum zu einer Verringerung der Differenz der Abscheideraten führt. Die Differenz der Abscheideraten längs der Wendel verschwindet im Idealfall erst dann, wenn die Temperaturunterschiede zwischen den Wendelenden und der Wendelmitte vollständig ausgeglichen sind. Nach vollständiger Einregelung sind somit die Abscheideraten längs des Leuchtkörpers gleich groß. Eine „Übersteuerung" – d.h. die Einstellung von niedrigeren Temperaturen in der Wendelmitte verglichen mit der Umgebung – ist somit nicht möglich. Es ist zu beachten, dass ein chemisches Reaktionssystem nur über ein beschränktes Temperaturintervall zu verschiedenen Abscheideraten führt. Betreibt man z.B. den Leuchtkörper so, dass sich ein Bereich bei so hoher Temperatur befindet, dass die das Leuchtkörpermaterial tragende Komponente vollständig zersetzt ist, so erhält man über diesen Temperaturbereich gleiche Abscheideraten, d.h. es werden keine Temperaturunterschiede mehr ausgeglichen. Trivialerweise sollten sich die relevanten Bereiche des Glühkörpers nicht bei so niedriger Temperatur befinden, dass kaum noch eine Abscheidung stattfindet.
Man kann diese über die Temperatur gesteuerte Abscheidung von Leuchtkörpermaterial zur Modulation der Drahtdicke als Teilreaktion eines regenerativen Kreisprozesses betrachten, weil die Abscheidung bevorzugt an Stellen höherer Temperatur erfolgt. Im Unterschied zur fertigen Lampe wird jedoch bei diesem Prozess-Schritt die Wendel in einen solchen – in der Regel nicht zur Lichterzeugung geeigneten – Temperaturbereich gebracht, in welchem sich die Abscheideraten längs der Wendel ändern. Die beschriebene Modulation wird während der Herstellung der Lampe durchgeführt; dazu wird die Wendel – welche ggf. bereits in einer Stängel-Lampe fixiert ist – in einem Gasstrom betrieben. Die Modulation kann auch an der fertig gewickelten Wendel vor deren Fixierung in einem Glaskolben erfolgen. Typischerweise lassen sich geeignete Drahtdickenprofile innerhalb einiger Minuten einstellen, siehe unten beschriebenes Ausführungsbeispiel. Erst danach wird die Lampe zu Ende gebaut, d.h. die Wendel wird in der Lampe fixiert und eingequetscht, wenn die Modulation direkt an Wendel vorgenommen wurde, bzw. die Lampe mit einem Füllgas befüllt und abgeschmolzen. Die Abscheidungsreaktionen lassen sich auch als CVD-Prozesse betrachten (CVD = Chemical Vapor Deposition).
Aus den beschriebenen Gründen muss die Wendel in einem solchen Temperatur-Bereich betrieben werden, dass sich die Abscheideraten über die längs der Wendel auftretenden Temperaturen deutlich ändern. Der geeignete Temperaturbereich ist dabei durch die Chemie des benutzten chemischen Reaktionssystems weitgehend festgelegt. Am günstigsten ist es, zur Nivellierung des Wendeltemperaturprofils längs der Wendel ein solches chemisches Reaktionssystem zu verwenden, für welches die Temperatur während der Abscheidung derjenigen während des Lampenbetriebs möglichst weitgehend entspricht. Aufgrund des verschiedenen Gewichts einzelner Terme in der Energiebilanz sind die Wendeltemperaturprofile für verschiedene angelegte Spannungen bzw. damit verschiedene maximale Wendeltemperaturen nicht durch eine einfache lineare Transformation ineinander überführbar. So spielt die Wärmeableitung längs des Leuchtkörpers als auch die Wärmeableitung in radialer Richtung über das Füllgas zum Kolben hin bei niedrigeren Temperaturen eine relativ gesehen weitaus wichtigere Rolle als bei typischen Betriebstemperaturen des Leuchtkörpers. Mit wachsender Temperatur wird entsprechend den Strahlungsgesetzen die Strahlung immer wichtiger. Dies führt dazu, dass mit fallender Temperatur sich einerseits die Bereiche mit Temperaturänderungen nahe der Wendelenden immer weiter ausdehnen, weil die Wärmeleitung längs des Leuchtkörperdrahts eine immer größere Rolle spielt, d.h. man erhält mit fallender Temperatur zunehmend ausgedehnte Temperaturprofile nahe der Wendelenden. Andererseits flacht mit fallender Temperatur das Temperaturprofil um die Wendelmitte herum zunehmend ab, weil der Strahlungstransport eine immer geringere Rolle spielt.
Während der Abscheidung nimmt die Drahtdicke an jedem Ort – wenn auch in verschiedenem Maße – zu, so dass es mit zunehmender Abscheidungsdauer zu einer Absenkung der Temperatur kommt. Da die Geschwindigkeit der Abscheidungsreaktion mit fallender Temperatur immer kleiner wird bzw. dann in relativ kalten Bereichen praktisch keine Abscheidung mehr stattfindet, empfiehlt es sich, die Glühwendel durch Nachregelung (Erhöhung) der Spannung in einem solchen Temperaturbereich zu halten, der dem „Regelbereich" des chemischen Reaktionssystems entspricht. Diese Nachregelung der Spannung wird optimal durch eine Messung der Temperatur der Glühwendel gesteuert. Näherungsweise kann auch eine leistungsgesteuerte Nachregelung erfolgen. Da bei konstanter Wendeltemperatur die Leistungsaufnahme mit zunehmender Drahtdicke steigt, empfiehlt es sich in diesem Falle, durch kurzzeitiges Abschalten der angelegten Spannung die auf die Änderung des Drahtdurchmessers zurückzuführende Änderung des Kaltwiderstands zu messen und dann die Leistung entsprechend nachzuregeln.
Die beschriebene Nivellierung des Temperaturprofils längs der Wendel wirkt sich in doppelter Hinsicht günstig auf die Verringerung des Materialtransports aus. Zum einen kommt es wegen der Verringerung des axialen Temperaturgradienten zu einer deutlichen Reduzierung des axialen Transports. Zum anderen liegt – bei insgesamt gleichem Lichtstrom – die maximale Temperatur in der Wendelmitte etwas niedriger als bei der Wendel mit konstanter Drahtdicke, was sich günstig hinsichtlich einer Reduzierung des maximalen radialen Transports auswirkt. Insgesamt kommt es zu einer Reduzierung des auftretenden maximalen Materialabtrags, was sich günstig hinsichtlich einer Verlängerung der Lebensdauer auswirkt.
Anstelle einer temperaturgesteuerten Abscheidungsreaktion kann auch der dazu komplementäre Vorgang, nämlich der temperaturgesteuerte Abtrag von Leuchtkörpermaterial, zur Erzeugung eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser verwandt werden. Als Beispiel sei die chemische Transportreaktion Me<s> + nX<g> = MeX_n<g> betrachtet. Dabei steht Me für ein metallisches Leuchtkörpermaterial (z.B. Wolfram) und X für ein Transportmittel (z.B. ein Halogen). Bei Abscheidungsreaktionen benutzt man den temperaturgesteuerten Zerfall des Precursormaterials MeX_n<g> → Me<s> + nX<g> zur Erzeugung eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser. Bei der temperaturgesteuerten Abtragsreaktion benutzt man hingegen die Reaktion des Transportmittels X mit dem Leuchtkörpermaterial Me zur Erzeugung eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser. Wenn z.B. bei niedriger Temperatur ein aus dem Leucht-körpermaterial Me und dem Transportmittel X bestehender Precursor bei der Abscheidungsreaktion nur wenig zerfällt und damit das chemische Gleichgewicht auf der Seite des Precursormaterials liegt, so folgt daraus umgekehrt, dass bei Überleitung des reinen Trans portmittels über eine Oberfläche des Leuchtkörpermaterials relativ viel Leuchtkörpermaterial abgetragen wird. Zusammenfassend ergibt sich also:
Fall 1: Das Gleichgewicht Me<s> + nX<g> = MeX_n<g> liegt bei niedrigen Temperaturen auf der Seite der Verbindung MeX_n<g>:

Abscheidungsreaktion: Kaum Abscheidung, weil MeX_n<g> kaum zerfällt

Abtragsreaktion: Starker Abtrag, weil viel Material Me in Form von

gasförmigem MeX_n gelöst wird.

Fall 2: Das Gleichgewicht Me<s> + nX<g> = MeX_n<g> liegt bei hohen Temperaturen auf der Seite der Verbindungen Me<s>, X<g>:

Abscheidungsreaktion:	Starke Abscheidung, weil der Precursor MeX_n<g>
	weitgehend zerfällt.
Abtragsreaktion:	Kaum Abtrag, weil das Material Me durch das
	Transportmittel X kaum angegriffen wird.

In beiden Fällen – sowohl der Abscheidungs- als auch der Abtragsreaktion – erhält man Leuchtkörper, deren Durchmesser am Ende geringer sind als in der Wendelmitte, was zu einer Glättung des Temperaturprofils längs der Wendel führt. Im Falle der Abscheidungsreaktion vergrößert sich dabei der Leuchtkörperdurchmesser in der Mitte; im Falle der Abtragsreaktion verkleinert er sich an den Enden. Für beide Varianten arbeitet das System selbstregulierend, d.h. die chemischen Vorgänge wirken in Richtung einer Glättung des Temperaturprofils.
Aufgrund kinetischer Einflüsse müssen die geeigneten Temperaturbereiche für die Abscheidungs- und die Abtragsreaktion nicht unbedingt übereinstimmen. Bei Abtragsreaktionen besteht der Vorteil, dass der Abtrag meist relativ gleichmäßig erfolgt; zumindest bei nicht rekristallisiertem Leuchtkörpermaterial. Bei rekristallisiertem Material kann der Abtrag bei gleichen Temperaturen für verschiedene Kristallflächen bzw. an Korngrenzen verglichen mit den Kristallflächen mit verschiedenen Geschwindigkeit erfolgen. Bei Abscheidungsreaktionen kann es bei ungünstigen Randbedingungen statt zu einer gleichmäßigen Abscheidung zu einem Aufwachsen von Kristalliten kommen. Kommt es bei hohen Konzentrationen des Precursors bereits in der Gasphase zur Bildung von Keimen, so beobachtet man meist eine Ablagerung von schwamm-artigen Kristalliten auf der Oberfläche, die sich aber z.T. noch bei hohen Temperaturen in eine homogenere Beschichtung überführen lassen. Besonders ungünstig ist das bei manchen Randbedingungen auftretende Wachstum von nadelförmigen Dendriten. In den meisten Fällen lassen sich jedoch Reaktionsbedingungen finden, bei denen eine homogene Abscheidung erfolgt. Eine bevorzugte Methode zur Erzeugung einer homogenen Beschichtung besteht z.B. darin, zunächst eine hohe Keimdichte des Beschichtungsmaterials auf der zu beschichteten Oberfläche zu erzeugen. Dazu wird dem eigentlichen Beschichtungsprozess ein Bekeimungsschritt vorangestellt, der in einem anderen Temperaturbereich als der eigentliche Beschichtungsprozess – meist bei niedrigerer Temperatur – durchgeführt wird. Auch bei Abscheidungsreaktionen ist die Verwendung von noch nicht rekristallisiertem Draht mit aus dem Ziehprozess herrührender Faserstruktur zu bevorzugen, weil bei bereits rekristallisiertem Draht durch die einzelnen Kristallflächen definierte Vorzugsrichtungen für das Kristallwachstum existieren. In vielen Fällen lassen sich Abscheidungsreaktionen durch die Verwendung geeigneter Precursor leichter beherrschen als Abtragsreaktionen.
Es sind nicht nur einfache chemische Dissoziationsgleichgewichte des Typs Me<s> + nX<g> = MeX_n<g> geeignet, um einen Leuchtkörper durch Abscheidungs- oder Abtragsreaktionen zu modulieren. Es können auch komplexere Reaktionen, wie z.B. die Reduktion eines Precursors MeX_n<g> durch ein Reduktionsmittel Y<g> zu Me<s> und einer Verbindung YX<g> eingesetzt werden, wenn (a) eine geeignete Temperaturabhängigkeit der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit vorliegt und (b) geeignete Bedingungen gefunden werden, unter denen eine gleichmäßige Abscheidung und kein Kristallwachstum erfolgt.
Im folgenden werden mehrere geeignete Reaktionssysteme beschrieben. Dabei wird immer nur auf die Abscheidungsreaktion eingegangen; die dazu komplementäre Variante der Abtragsreaktion ergibt sich sinngemäß wie zuvor beschrieben. Die Chemie dieser Reaktionssysteme ist bereits meist bekannt, neu ist deren gezielte Nutzung zur Erzeugung einer Wendel mit modulierter Drahtdicke bzw. allgemein eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser.
(a) Abscheidungsreaktionen in Systemen Wolfram – Halogen
Basis für die Durchführung der Modulation der Drahtdicke sind hier die gut bekannten Rückreaktionen des Halogenkreisprozess. Betrachtet sei zunächst eine Lampe mit einer Glühwendel aus Wolfram. Die Stängellampe – d.h. die soweit fertig gebaute, jedoch noch nicht abgeschmolzene Lampe mit Pumpstängel – wird von einem Gemisch aus einem Inertgas und Wolframhexafluorid durchströmt. Alternativ kann die Modulation auch außerhalb des Kolbens an der Wendel vorgenommen werden, indem diese kontaktiert und von dem genannten Gasgemisch umströmt wird. Die Betriebsspannung wird so gewählt, dass die maximale Wendeltemperatur bei ca. 2700 K liegt. Es kommt dann zu einer verstärkten Abscheidung von Wolfram in der Wendelmitte und somit zu einer Modulation der Drahtdicke. Die Verwendung eines ungeschützten Kolbens aus Quarz oder Hartglas ist hier ohne Probleme möglich. Zwar reagiert das bei der Zersetzung von WF₆ freigesetzte Fluor an der Kolbenwand zu SiF₄ ab; dies kann aber hingenommen werden, weil laufend frisches Wolframhexafluorid von außen zugeführt wird. Es kommt zu Ausbildung einer Glühwendel aus einem Draht mit einer modulierten Drahtdicke. Von Vorteil ist hier, dass die Modulation bei Temperaturen erfolgt, die nur wenig unterhalb der Betriebstemperatur der Glühwendel um ca. 3000 K liegen. Wenn somit sich bei der Modulation bei Temperaturen knapp unter 2700 K ein flaches Temperaturprofil einstellt, so ist dieses auch bei Tempera turen um 3000 K noch sehr flach. Alternativ lässt sich eine Modulation der Drahtdicke auch durch Zerfall von Wolframchloriden, -bromiden, iodiden bzw. Wolframoxifluoriden, -oxichloriden, -oxibromiden und -oxiiodiden durchführen. Wegen unvermeidlicher Restspuren an Sauerstoff werden die Wolframoxihalogenide immer zumindest in Spuren vorhanden sein, auch wenn reine Wolframhalogenide als Precursor eingesetzt werden. Werden z.B. Wolframbromide verwandt, so muss man jedoch die Wendel in einem Temperaturbereich typischerweise unterhalb 1700 K betreiben. Wird die Drahtdicke so moduliert, dass bei Betriebstemperaturen um bzw. unterhalb 1700 K sich ein flaches Temperaturprofil einstellt, so ist das sich bei Betrieb dieser Wendel um 3000 K einstellende Temperaturprofil wegen des zunehmenden Einflusses der Strahlung nicht mehr so flach wie dasjenige bei einer Betriebstemperatur um 1700 K.
(b) Allgemein: Abscheidungsreaktionen in Systemen aus hochschmelzenden Metallen und Halogenen
Die für einen aus Wolfram bestehenden Glühkörper beschriebenen Verhältnisse lassen sich auch auf Leuchtkörper aus anderen hochschmelzenden Metallen wie Tantal, Osmium, Rhenium usw. bzw. Legierungen dieser Metalle übertragen. Durch Betrieb der Glühkörper in einem Strom eines Gasgemisches aus einem Inertgas und den jeweiligen Metallhalogeniden lässt sich eine Modulation der Durchmessers des Leuchtkörpers erreichen. Die Chemie dieser wichtigen chemischen Transportreaktionen ist in vielen Fällen in H. Schäfer, „Chemische Transportreaktionen", Verlag Chemie, 1962 beschrieben. Wichtig ist, dass der Temperatur des Leuchtkörpers bei der Abscheidung an die Erfordernisse des jeweiligen chemischen Reaktionssystems angepasst sind. Bevorzugt werden wieder die Fluoride der jeweiligen Metalle einge-setzt, weil diese sich erst bei hohen Temperaturen, welche meist den Betriebstemperaturen der Leuchtkörper schon recht nahe kommen, zersetzen.
(c) Abscheidung von Wolfram, Molybdän etc. durch Reduktion der Metallfluoride durch Wasserstoff
Wolframhexafluorid wird durch Wasserstoff zu Wolfram reduziert, wobei HF entsteht. Im einfachsten Fall lässt sich die chemische Reaktion durch WF₆<g> + 3H₂ → W<s> + 6HF beschreiben. Zumindest im Temperaturbereich zwischen ca. 400°C und 1000°C läuft diese chemische Reaktion um so schneller ab, je höher die Temperatur ist. Die Abscheidungsgeschwindigkeit sowie die Konsistenz der Abscheidungen (unerwünschtes Wachstum von Dendriten oder erwünschte homogene Abscheidung) werden außer durch die Temperatur von dem Verhältnis der Partialdrücke von WF₆ und H₂ sowie dem Gesamtdruck beeinflusst. Zu Details hinsichtlich dieses und verwandter Reaktionssysteme siehe auch z.B. Jean F. Berkeley, Abner Brenner, Walter E. Reid, „Vapor Deposition of Tungsten by Hydrogen Reduction of Tungsten Hexafluoride", J. Electrochem. Soc., 114(1967)6, pages 561–568, und A.M. Shroff, G. Deival, „Recent developments in the chemical vapor deposition of tungsten and molybde-num", High Temperatures – High Pressures, 1971, volume 3, pages 695–712.
(d) Abscheidungsreaktionen in den Systemen Kohlenstoff-Halogen, Kohlenstoff-Wasserstoff, und Kohlenstoff-Schwefel
Als weiteres Beispiel sei ein aus einer Kohlenstofffaser bzw. einem Bündel von Kohlenstofffasern bestehender Glühkörper betrachtet. Hier kann man eine Modulation des Dicke der Faser analog erreichen, indem man den Leuchtkörper bei Temperaturen im Bereich zwischen 2800 K und 3500 K, bevorzugt zwischen 3000 K und 3500 K, in einem Gemisch aus einem Inertgas (z.B. einem Edelgas) und Kohlenstofftetrafluorid CF₄ betreibt. Andere Kohlenstoff-Halogen oder auch Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen zersetzen sich bereits bei Temperaturen weit unterhalb 1000 K. Eine Modulation unter Benutzung dieser Systeme ist möglich, wegen der weit unter der Betriebstemperatur liegenden Abscheidungstemperaturen aber weniger vorteilhaft. Zur Chemie der Kohlenstoff-Halogen bzw. Kohlenstoff-Wasserstoff-Systeme siehe z.B. „Kohlefadenlampen mit einem chemischen Transportzyklus", Philips techn. Rdsch. 35, 338–241, 1975/76, Nr. 11/12 und W., J. van den Hoek, W. Klessens, „Carbon-hydrogen and carbon-chlorine transport reactions in carbon filament incandescent lamps", Carbon 13, 429–432 (1975). Bei Betrieb des Leuchtkörpers knapp unter dem Schmelzpunkt des Kohlenstoffs ist auch die Verwendung des C-S-Systems möglich. Leitet man Schwefelkohlenstoff CS₂ bei Temperaturen oberhalb ca. 2200 K über Kohlenstoff, so entsteht CS, welcher sich im Bereich zwischen 3400 K und ca. 4000 K unter Freisetzung von Kohlenstoff zersetzt.
(e) Leuchtkörper aus Metallcarbiden, -nitriden oder -boriden: Modulation des Querschnitts des Glühkörpers aus dem Ausgangsmetall durch Abscheidungsreaktionen
Leuchtkörper aus Metallcarbiden, -nitriden oder -boriden bzw. Legierungen dieser Verbindungen werden meist durch Carburierung, Nitrierung oder Borierung der Leuchtkörper aus den jeweiligen Ausgangsmetallen hergestellt, weil als Keramiken zu betrachteten Metallcarbide, -nitride oder -boride zu spröde sind, um sich leicht verarbeiten zu lassen. Damit bietet sich die Möglichkeit, die Durchmesser der Leuchtkörper aus den jeweiligen Ausgangsmetallen zu modulieren, und dann im nächsten Verfahrensschritt die Carburierung bzw. Nitrierung bzw. Borierung vorzunehmen. Im folgenden wird als Beispiel eine Lampe aus einer Glühwendel aus Tantalcarbid betrachtet. Hier kann man die Glühwendel zunächst aus Tantal wickeln. Betreibt man z.B. den zu modulierenden Bereich der Tantalwendel bei Temperaturen zwischen 2800 K und 3200 K in einem Strom aus einem Inertgas und Tantalfluorid, so erhält man eine Glühwendel aus Tantal mit modulierter Drahtdicke, bei der der Drahtdurchmesser in der Mitte größer ist als nahe den Wendelenden. Anschließend wird die Wendel aus Tantal durch Carburierung in einer Atmosphäre aus einem Inertgas und einem Kohlenwasserstoff in Tantalcarbid ü berführt, vgl. z.B. S. Okoli, R. Haubner, B. Lux, Surface and Coatings Technology 47 (1991), 585–599, und G. Hörz, Metall 27, (1973), 680. Die Modulation der Drahtdicke bleibt dabei erhalten, d.h. die relativen Schwankungen des Durchmessers der Wendel aus Tantal bildet sich genau auf die Wendel aus Tantalcarbid ab. Alternativ kann man auch Tantal auf einem Glühkörper aus Tantalcarbid abscheiden und die Tantalschicht im nächsten Verfahrensschritt carburieren.
(f) Leuchtkörper aus Metallcarbiden, -nitriden oder -boriden: Modulation der Drahtdicke des Glühkörpers durch direkte Abscheidung der Carbide, Nitride und Boride.
Mann kann auch die Metallcarbide, Metallnitride und Metallboride direkt auf den jeweiligen Leuchtkörpern abscheiden. Z.B. kann man Tantalcarbid direkt auf Leuchtkörpern aus Tantalcarbid abscheiden. Die grundlegenden Eigenschaften dieses Prozesses sind beschrieben z.B. in W.J. Heffernan, I. Ahmad, R.W. Haskell, Benet Weapons Laboratory, Watervliet, NY, USA, „A continuous CVD process for coating filaments with tantalum carbide", Chem. Vap. Deposition, Int. Conf., 4th Meeting (1973), Meeting Date 1973, pages 498–508; dort werden die Abhängigkeiten der Abscheideraten von den einzelnen experimentellen Parametern genau diskutiert. Der Gesamtprozess der Abscheidung von Tantalcarbid lässt sich durch die zusammenfassende Reaktionsgleichung TaCl₅ + CH₄ + 1/2 H₂ → TaC + 5 HCl beschreiben. Unter geeigneten Reaktionsbedingungen erhält man Abscheideraten von TaC in der Größenordnung von 10 μm/min, d.h. diese Abscheideraten liegen in einem Bereich, der einen Einsatz des Verfahrens in einer mechanisierten Produktion möglich erscheinen lässt. Die Abscheideraten von TaC ändern sich stark im Temperaturbereich zwischen ca. 1100 K und 1300 K; d.h. die Betriebsspannung am TaC Leuchtkörper sollte so eingestellt werden, dass sich die Temperaturen im Bereich des zu glättenden Temperaturprofils zwischen 1100 K und 1300 K bewegen. Wesentlich ist weiterhin, dass unter den angegebenen Reaktionsbedingungen Schichten relativ symmetrisch aufwachsen und nicht etwa Kristallite, welche praktisch nicht zum Stromtransport beitragen. Analoge chemische Reaktionssysteme existieren für die anderen Metallcarbide, -nitride und -boride, bzw. Legierungen dieser einzelnen Komponenten.
Die Modulation der Drahtdicke wird für eine solche Zeitdauer durchgeführt, bis zu der man ein eine solche Modulation der Radien erreicht hat, welche im Lampenbetrieb zu einem optimalen oder nahezu optimalen Temperaturprofil führt, siehe weiter oben. Ist die Zeitdauer des Abscheidungs- oder Abtragsprozesses zu kurz, so ist die Modulation unzureichend, und der Leuchtkörper brennt meist nahe der Mitte durch. Ist die Zeitdauer des Abscheidungs- oder Abtragsprozesses zu lang, so erreicht man zwar relativ homogene Temperaturverteilungen im Gewickel, dafür jedoch kommt es zu einem sehr starken Materialabtrag an den Wendelenden am Beginn des schroffen Temperaturabfalls. Bei zu langen Abscheidungsdauern besteht bei Wendeln mit geringer Steigung die Gefahr eines Windungsschlusses bzw. elektrischen Durchschlags. Da zudem verfahrenstechnische Einflüsse – z.B. eine evtl. leicht ungleichmäßige Umströmung der Wendel – von Relevanz sind, empfiehlt es sich, die optimale Abscheidungsdauer experimentell zu ermitteln. Dazu wird an den Wendeln für verschiedene Zeiten ein Materialabtrag bzw. eine Materialabscheidung vorgenommen, anschließend unter Verwendung dieser Wendeln fertig gebaute befüllte Lampen sonst gleicher Geometrie lichttechnisch vermessen und im Lebensdauertest geprüft. Das Optimum liegt bei der größten Lampengüte, d.h. bei den Lampen, die bei gleicher Lichtausbeute die größte Lebensdauer erreichen.
Die hier beschriebenen Ausführungen sind nicht auf wendelförmige Glühkörper aus Drähten beschränkt. Sie sind für praktisch alle Leuchtkörper zutreffend, bei denen die Lichterzeugung auf dem Prinzip der Erzeugung von Temperaturstrahlung beruht. Beispiele für Leuchtkörper anderer Geometrie sind gestreckte oder verwickelte Bänder, planare geschlitzte Metallfolien mit mäanderförmigen Leitungsverläufen bzw. rechteckigem Leitungsquerschnitt, spiralförmige Leuchtkörper, etc.
Ggf. können die hier beschriebenen Möglichkeiten zur Glättung des Temperaturprofils längs der Wendel mit weiteren Maßnahmen, etwa der Verwendung einer Wendel mit modulierter Steigung, kombiniert werden.
Die hier beschriebene Vorgehensweise bietet deutliche Vorteile gegenüber dem in DD 217 084 A1 beschriebenen elektrolytischen Abtrag von Wendeln. Zum einen wird hier ein selbstregulierendes System verwandt, d.h. die Temperatur selber steuert die Abtrags- und Abscheidungsprozesse. Zum anderen lassen sich verfahrenstechnisch in der Massenproduktion chemische Abscheidungs- und Abtragsreaktionen wesentlich leichter realisieren als nasschemische Verfahren wie in DD 217 084 A1 . Schließlich ist der elektrolytische Abtrag wie in DD 217 084 A1 beschrieben auf Leuchtkörper aus ausgewählten metallischen Materialien beschränkt und nicht auf Leuchtkörper aus Keramiken (z.B. Metallcarbiden) anwendbar.
Die hier beschriebenen Verfahren bieten ebenfalls deutliche Vorteile gegenüber der in J. Schröder, „Profilierung von Wolframwendeln in Glühlampen durch chemische Transportreaktionen", Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) beschriebenen Vorgehensweise. Im Unterschied zu Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) wird hier das Leuchtkörpermaterial nicht von kälteren zu heißeren Stellen umgelagert, sondern entweder ausschließlich von außen zugeführtes Leuchtkörpermaterial abgeschieden oder ausschließlich Leuchtkörpermaterial abgetragen und in Form von flüchtigen gasförmigen Verbindungen entfernt. D.h. hier wird von außen zugeführtes Leuchtkörpermaterial abgeschieden oder Leuchtkörpermaterial abgetragen und komplett entfernt, während in Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) lediglich das reine Transportmittel (z.B. ein Halogen) zugeführt wird und das Leuchtkörpermaterial umgelagert wird. Die hier beschriebene Vorgehensweise bietet gegenüber der reinen Umlagerung von Leuchtkörpermaterial wie in Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) beschrieben folgende Vorteile:

– Bei der Umlagerung wird das an einer kälteren Stelle abgetragene Material bevorzugt an den direkt benachbarten heißeren Stellen abgeschieden, an denen sich das das Leuchtkörpermaterial tragende Molekül zersetzt, während an weiter entfernten Stellen derselben hohen Temperatur weniger Material abgeschieden wird, weil nur noch „weniger das Material tragende Moleküle ankommen". Scheidet man gemäß der hier beschriebenen Vorgehensweise Material durch Betrieb der Wendel in einem Strom eines geeigneten Precursormaterials ab oder trägt man Leuchtkörpermaterial ab, so erhält man in höherem Maße geglättete Temperaturprofile.
– Bei Anwendung von reinen Abscheidungs- oder Abtragsreaktionen lassen sich die Reaktionsbedingungen wesentlich leichter hinsichtlich dem Erreichen einer gleichmäßigen Durchmesservariation optimieren, z.B. durch das Vorschalten geeigneter Bekeimungsschritte bei Abscheidungen und durch die Wahl geeigneter Konzentrationen und Durchflussgeschwindigkeiten. Bei Umlagerungsprozessen hat man weitaus weniger Parameter zur Optimierung zur Verfügung. Die Konzentration des abzuscheidenden Materials beim Abscheidungsprozess ist z.B. durch das chemische Reaktionssystem weitgehend festgelegt; der Partialdruck der das abzuscheidende Material tragende Verbindung kann im wesentlichen nur durch die Konzentration des Transportmittels beeinflusst werden..
– Bei Leuchtkörpern aus Keramiken wie Metallcarbiden sind Umlagerungsreaktionen wie in Philips techn. Rdsch. 35, 354–355 (1975/76) nicht anwendbar, weil mindestens 2 chemische Elemente transportiert werden müssen. Z.B. müssten bei Verwendung von Leuchtkörpern aus Tantalcarbid sowohl Tantal als auch der Kohlenstoff umgelagert werden. Dazu müssten die Temperaturabhängigkeiten der chemischen Gleichgewichte zwischen Tantal und dem Transportmittel einerseits und Kohlenstoff und dem Transportmittel andererseits genau gleich sein. D.h. an kälteren Stellen müssten Tantal und Kohlenstoff in genau gleichem Maße durch das Transportmittel in der Gasphase gelöst werden; während bei höheren Temperaturen der Dissoziationsgrad der das Tantal und den Kohlenstoff tragenden Verbindungen gleich sein müsste. Solche chemischen Reaktionssysteme existieren jedoch nicht, man kann sich dem Idealzustand lediglich annähern. Hinzu kommt, dass auch die Transportgeschwindigkeiten der beiden zu transportierenden Elemente unterschiedlich sind; so diffundieren z.B. Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen wesentlich schneller als Tantal-Fluor-Verbindungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein gewendelter Leuchtkörper für die Glühlampe gemäß 1;
3 ein Diagramm, das die Änderung des Radius des Leuchtkörpers als Funktion des Abstands von der Wendelmitte zeigt;
4 ein Vergleich der Temperatur am Leuchtkörper während der Abscheidung als Funktion des Abstands von der Wendelmitte;
5 ein Vergleich der Temperatur am Leuchtkörper während des Betriebs als Funktion des Abstands von der Wendelmitte.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben aus Quarzglas 2, einer Quetschung 3, und innere Stromzuführungen 6, die Folien 4 in der Quetschung 3 mit einem Leuchtkörper 7 verbinden. Der Leuchtkörper ist ein einfach gewendelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen ungewendelte Enden 14 quer zur Lampenachse weitergeführt sind. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 5 mm. Die Wendelenden 14 sind anschließend parallel zur Lampenachse abgebogen und bilden dort die inneren Stromzuführungen 6 als integrale Verlängerung. Die Stromzuführungen 6 können auch separate Teile sein.
Die aus Tantalcarbid bestehende Glühwendel der schematisch in 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weitgehend einer auf dem Markt erhältlichen Niedervolt-Halogenglühlampe entspricht, ist durch Carburierung einer aus Tantaldraht (Durchmesser 135 μm) gewickelten Wendel (12 Windungen, Steigungsfaktor 2,24, Kernfaktor 5,6) entstanden. Die Länge eines Abgangs ist 10 mm. Bei der Carburierung wächst der Drahtdurchmeser auf 146 μm. Bei Verwendung von Xenon als Grundgas, zu dem noch Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoff und Halogen (J, Br, Cl, F) enthaltende Substanzen beigefügt werden, weist die Lampe bei Betrieb an 14 V eine Leistungsaufnahme von ca. 45 W auf, wobei die Farbtemperatur charakteristischerweise um 3300 K liegt.
In 2 ist schematisch der Leuchtkörper 7 genauer dargestellt nach Durchführung der Modulation des Drahtquerschnitts durch den weiter unten beschriebenen Abscheidungsprozess. Der Durchmesser des Drahtes des Leuchtkörpers ist unterschiedlich. In der Mitte ist der Durchmesser d2 deutlich größer als am Rand, wo der Durchmesser mit d1 angegeben ist.
3 zeigt das Profil des Radius des Wendeldrahts nach einer einminütigen Abscheidung entsprechend der Reaktionsgleichung TaCl₅ + CH₄ + 1/2H₂ → TaC + 5HCl.
Die Abscheidebedingungen wurden in etwa so gewählt wie in (e) beschrieben (HCl strömt über Tantal zur Erzeugung von TaCl₅, Gasströme 40 cm³/min HCl, 250 cm³/min CH₄). Da der Radius des Drahtes in Bezug auf die Wendelmitte sich symmetrisch ändert, zeigt die Darstellung nur den Radius des Drahtes für eine Hälfte. Die andere Hälfte ist spiegelsymmetrisch. Der angegebene Ort bezeichnet die Position längs des Leuchtdrahts.
4 zeigt einen Vergleich der Temperatur, die bei der Abscheidung verwendet wird, zwischen einem gewendelten Leuchtkörper mit sich ändernder Drahtdicke (Kurve 1) und einem gleichartigen Leuchtkörper mit konstanter Drahtdicke (Kurve 2) für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Hier befinden sich die gewendelten Leuchtkörper in einem typischen zur Abscheidung von TaC geeigneten Temperatur-Bereich. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde die Betriebsspannung so angepasst, dass die Temperaturen in der Mitte des Leuchtkörpers übereinstimmen.
5 zeigt einen Vergleich der Temperatur im Betrieb zwischen einem gewendelten Leuchtkörper mit sich ändernder Drahtdicke (Kurve 1) und einem gleichartigen Leuchtkörper mit konstanter Drahtdicke (Kurve 2) für das Ausführungsbeispiel. Hier befinden sich die gewendelten Leuchtkörper in einem typischen während des Lampenbetriebs erreichten Temperatur-Bereich. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde auch hier die Betriebsspannung so angepasst, dass die Temperaturen in der Mitte des Leuchtkörpers übereinstimmen.
Sind die Wendelabgänge wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1 integral mit dem Leuchtkörper aus einem durchgehenden Draht gefertigt, und wird zur Modulation der Drahtdicke ein Abscheidungsverfahren gewählt, so kann es bei einer starken Vergrößerung des Leuchtdrahtdurchmessers im Bereich des Gewickels dazu kommen, dass die nicht vergrößerten und somit deutlich dünneren Drahtabschnitte an den Wendelabgängen nahe der Quetschung beim Einschalten relativ stark belastet werden. In diesem Falle bietet sich die Verwendung von Überzugswendeln wie in DE-Az 10 2004 014 211.4 beschrieben an, um die Einschaltfestigkeit zu erhöhen.
Ergänzend soll noch erwähnt werden, dass eine Modulation des Durchmessers des Leuchtkörpers auch durch eine Abtrag mittels Laser erfolgen kann. Weiterhin kann eine Modulation des Drahtdurchmessers auch durch Aufbringen von Material durch Sputterprozesse oder durch elektrolytische Abscheidung (im Gegensatz zu elektrolytischem Abtrag wie in DD 217 084 A1 be schrieben) erfolgen. Diese und weitere Prozesse sind jedoch technisch schwieriger zu beherrschen, da sie nicht selbstregulierend arbeiten.
Im Falle von planaren Glühfilamenten mit rechteckigem Querschnitt kann z.B. der Abstand der mäanderförmigen Schlitze variiert werden.

Claims

Leuchtkörper für eine Glühlampe aus einem Metall oder einer Metallverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Leuchtkörpers vom Rand des Leuchtkörpers zur Mitte des Leuchtkörpers hin kontinuierlich zunimmt, wobei die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch chemische Abscheidungs- oder Abtragsprozesse vorgenommen worden ist, und wobei der Querschnitt insbesondere kreisförmig ist.
Leuchtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt um mindestens 15 % zunimmt.
Leuchtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Tantalcarbid, Hafniumcarbid, Zirkoncarbid oder weiteren Metallcarbiden oder. den jeweiligen -nitriden oder boriden besteht.
Leuchtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus einer Legierung verschiedener Metallcarbide, Metallnitride oder Metallboride besteht.
Glühlampe mit einem Leuchtkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mit Stromzuführungen, die den Leuchtkörper haltern, wobei der Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben vakuumdicht eingebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch die thermische Zersetzung eines das Leuchtkörpermaterial tragenden Precursors mittels eines Abscheideprozesses erzeugt wird, wobei der Leuchtkörper während dieser Abscheidung in einem solchen an das chemische Reaktionssystem angepassten Temperaturbereich betrieben wird, dass an den einzelnen Stellen des Leuchtkörpers um so mehr Leuchtkörpermaterial durch Zerfall des Precursors abgeschieden wird, je höher die Temperatur an den betreffenden Stellen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch einen Abtrag von Leuchtkörpermaterial durch Reaktion mit einem Transportmittel erzeugt wird, wobei der Leuchtkörper während dieses Abtragsprozesses in einem solchen an das chemische Reaktionssystem angepassten Temperaturbereich betrieben wird, dass an den einzelnen Stellen des Leuchtkörpers um so mehr Leuchtkörpermaterial abgetragen wird, je niedriger die Temperatur an den betreffenden Stellen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des aus Wolfram bzw. Wolframlegierungen bestehenden Leuchtkörpers durch thermische Zersetzung von Wolframhalogeniden, Wolframoxihalogeniden, Wolframcarbonylen oder -cyaniden vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Wolfram abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des aus einem hochschmelzenden Metall wie z.B. Osmium, Rhenium, Niob, Hafnium, Zirkonium oder Tantal bzw. Legierungen dieser Metalle bestehenden Leuchtkörpers durch thermische Zersetzung von Metallhalo geniden (Metallfluoriden, -chloriden, -bromiden, -iodiden), Metalloxihalogeniden, Metallcarbonylen oder -cyaniden vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Metall abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Variation des Querschnitts abgeschiedene Metall durch Reduktion der Metallhalogenide bzw. Metalloxihalogenide durch Wasserstoff erzeugt wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass umso mehr Metall abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des aus einer Kohlenstofffaser bzw. einem Bündel von Kohlenstofffasern bestehenden Leuchtkörpers durch thermische Zersetzung von Kohlenstoff-Halogen-, Kohlenstoff-Wasserstoff-, oder Kohlenstoff-Schwefel-Verbindungen, vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Kohlenstoff abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Leuchtkörper aus Metallcarbid, -nitrid oder borid bzw. einer Legierung verschiedener -carbide, -nitride und -boride, die Querschnittmodulation durch Abscheidung des verwandten Leuchtkörpermaterials auf dem Leuchtkörper in einem CVD Prozess vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Leuchtkörpermaterial abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Tantalcarbid die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch Abscheidung von Tantalcarbid durch Verwendung der Reaktion zwischen Tantalhalogeniden bzw. Tantaloxihalogeniden, bevorzugt Tantalchlorid, Methan und Wasserstoff vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Leuchtkörpermaterial abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus einem der Metalle Wolfram, Osmium, Rhenium, Tantal, Niob, Zirkonium oder Hafnium die Variation des Querschnitts zur Glättung des Temperaturprofils durch Abtrag des Metalls durch Halogene, Pseudohalogene, Sauerstoff bzw. deren Verbindungen z.B. mit Wasserstoff vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während des Abtragsprozesses in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Material abgetragen wird, je geringer die Temperatur ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Kohlenstoff die Variation des Querschnitts zur Glättung des Temperaturprofils durch Abtrag von Kohlenstoff durch Halogene, Wasserstoff, Schwefel, bzw. deren Verbindungen vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während des Abtragsprozesses in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Material abgetragen wird, je geringer die Temperatur ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts zur Glättung des Temperaturprofils durch eine Reaktion des Metallcarbids mit einem Halogenwasserstoff vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während des Abtragsprozesses in einem solchen Temperatur-Bereich betrieben wird, dass um so mehr Material abgetragen wird, je geringer die Temperatur ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Metallcarbid, -nitrid oder borid bzw. einer Legierung verschiedener – carbide, -nitride und -boride, zunächst der Querschnitt des aus dem Ausgangsmetall bestehenden Leuchtkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche entweder durch Abscheidungs- oder Abtragsreaktionen zur Nivellierung des Temperaturgradienten moduliert wird, und danach das Metall durch Carburierung, Nitrierung oder Borierung in das gewünschte Leuchtkörpermaterial umgewandelt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper als Blechstreifen ausgeführt ist, oder als sonstiges planares Filament mit rechteckigem Querschnitt.
Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper ein umsponnener Draht ist.