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Elektrische -Glühlampe mit einem Tantalkarbidfaden und Verfahren zu
ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft eine elektrische Glühlampe mit einem Tantalkarbidfaden,
der sich in einer Atmosphäre befindet, die einen flüchtigen Kohlenwasserstoff enthält,
und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Elektrische Glühlampen mit einem Tantalkarbidfaden in einer einen
flüchtigen Kohlenwasserstoff enthaltenden Atmosphäre sind bereits bekannt. Beim
Betriebe eines Leuchtkörpers aus Tantalkarbid in einer Atmosphäre, die Kohlenwasserstoffe
enthält, bildet sich durch Dissoziation Wasserstoff, so daß sich also auch der Tantalkarbidfaden
in einer Atmosphäre befindet, die zusätzlich zu dem Wasserstoff des Kohlenwasserstoffes
einen Überschuß an Wasserstoff enthält, wobei die Gesamtmenge des insgesamt in der
Glühlampe vorhandenen Kohlenstoffs ungeändert geblieben ist.
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Es ist bisher bei Glühlampen mit Kohlefäden in einer Atmosphäre aus
Kohlenwasserstoffen nicht gelungen, außer einer Anlagerung von Kohlenstoff an den
Glühkörper durch thermische Zersetzung des Kohlenwasserstoffs auch eine vollständige
Wiederverbindung vom Glühkörper abgedampfter Kohle mit dem überschüssigen Wasserstoff
in thermisch zersetzungsfähigen, gasförmigen Kohlenwasserstoff so zu bewirken, daß
dieser Vorgang vollständig umkehrbar bleibt und daß dadurch über eine längere Betriebsdauer
Glühkörper und Gasatmosphäre erhalten bleiben und eine Schwärzung des Kolbens vermieden
wird.
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Erfindungsgemäß wird nun bei einer elektrischen Glühlampe mit einem
Tantalkarbidfaden, der sich in einer Atmosphäre befindet, die einen flüchtigen Kohlenwasserstoff
enthält, die Atmosphäre so zusammensetzt, daß sie auch eine Wasserstoffmenge im
Überschuß zu der in die Atmosphäre eingeführten Kohlenwasserstoffmenge enthält.
Hierdurch kann das Verfahren beim Tantalkarbid in einer gasförmigen, Kohlenwasserstoffe
und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre reversibel geführt und eine wesentliche
Leistungssteigerung bei einer Glühlampe mit Tantalkarbidglühkörper erreicht werden.
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Wenn der Glühkörper bei der erfindungsgemäßen Glühlampe auf hohe Temperaturen
erhitzt wird, so wird ein Teil des Kohlenstoffes, der in dem Tantalkarbidfaden vorhanden
ist, abgetrieben oder verflüchtigt. Kann sich dieser Kohlenstoff mit keinem anderen
Stoff verbinden, so setzt er sich auf der Fläche des Glaskolbens als schwarzer oder
rußiger Niederschlag ab. Bei der erfindungsgemäßen Glühlampe findet der aus dem
Tantalkaxbidfaden abgetriebene Kohlenstoff freien Wasserstoff in der den Glühfaden
umgebenden Atmosphäre vor und verbindet sich mit dem Wasserstoff zu Äthylen. Bei
hohen Temperaturen des Glühfadens wird das in der Atmosphäre des Glaskolbens befindliche
Äthylen zersetzt, und zwar zu Kohlenstoff, der sich mit dem Tantal des Glühfadens
wieder verbindet, und den Glühfaden in Tantalkarbid verwandelt, und freien Wasserstoff,
der sich mit dem von dem Glühfaden abgetriebenen oder verflüchtigten Kohlenstoff
verbindet. Es findet also ein reversibles Verfahren statt, in dem der Glühfaden
Kohlenstoff an die Atmosphäre des Glaskolbens abgibt, in der sich der Kohlenstoff
mit dem freien Wasserstoff zu Äthylen verbindet, das dann zugesetzt wird, und zwar
zu Kohlenstoff, der sich mit dem Glühfaden zu Tantalkarbid verbindet, während Wasserstoff
frei in der Atmosphäre der Glühlampe bleibt.
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Die Beschreibung der Erfindung erfolgt an Hand der Zeichnung, die
einen schematischen Schnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühlampe
wiedergibt.
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Es besteht eine Nachfrage nach Glühlampen, die mit verhältnismäßig
hohen Fadentemperaturen arbeiten und ein im wesentlichen weißes Licht erzeugen.
Derartige Glühlampen werden beispielsweise zur Fiutlichtbeleuchtung beim Fotografieren
verwendet. Die zur Zeit erhältlichen Glühlampen, die mit Fadentemperaturen von 3400°K
arbeiten, haben eine verhältnismäßig kurze Bienndauer, brennen innerhalb 3 bis 4
Stunden aus und zeigen nach kurzer Zeit, und zwar nach 5 bis 10 Minuten, einen schwarzen
Niederschlag an der Innenseite des Glaskolbens der Glühlampe. Die zur Zeit erhältlichen
Fotoglühlampen, die bei niedrigeren Fadentemperaturen arbeiten z. B. bei Fadentemperaturen
im Bereich von 3200°K, haben eine etwas längere Brenndauer von ungefähr 20 Stunden,
jedoch
ist das aus diesen Glühlampen austretende Licht wegen seiner Farbeigenschaften nicht
befriedigend.
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Die erfindungsgemäße Glühlampe, die bei einer Fadentemperatur im Bereich
von 3600 bis 3800°K arbeitet, gibt ein besseres und weißeres Licht als die bereits
erwähnten kurzlebigen Flutlichtlampen für Fotozwecke und besitzt eine längere Brenndauer
von über 25 bis 30 Stunden als die weniger erwünschten Fotolampen, die mit niedrigeren
Fadentemperaturen arbeiten. Die neue Glühfadenlampe läßt sich also überall dort
mit Vorteil gebrauchen, wo Flutlichtfotolampen verwendet werden. Wegen ihrer hohen
Fadentemperaturen und ihrer verhältnismäßig langen Brenndauer ist sie aber auch
auf anderen industriellen Gebieten von Nutzen.
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Die erfindungsgemäße Glühlampe kann jede gewünschte Form und Größe
haben. Sie kann beispielsweise einen Kolben besitzen, der ganz oder teilweise durchscheinend
oder durchsichtig ist oder bei dem nur ein. Teil des Kolbens das Licht durchläßt,
während der übrige Teil aus einem parabolisch oder anderweitig geformten Reflektor
besteht, in dessen Brennpunkt der Leuchtfaden liegt.
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Es wird zwar die Anwendung der Erfindung bei Glühlampen für Fotoflutlicht
erwähnt, jedoch kann die Erfindung allgemein bei Glühlampen Verwendung finden, z.
B. bei Glühlampen, wie sie in. den Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen oder zu ähnlichen
Zwecken verwendet werden, wo genau gerichtete oder gesammelte Lichtstrahlenbündel
zur Aussendung kommen. Eine derartige Glühlampe ist schematisch im Schnitt in der
Zeichnung dargestellt.
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Bei der erfindungsgemäßen Glühlampe wird ein Leuchtfaden verwendet,
der jede gewünschte Größe und Form haben kann und entweder gerade, gewellt, gefaltet
oder zu einer Wendel aufgewickelt ist, ferner im wesentlichen aus Tantallkarbid
besteht und außerdem zwischen zwei Elektroden, z. B. Nickelelektroden, aufgehängt
ist. Besteht der Kolben der Glühlampe zum Teil aus einem Reflektor, so wird der
Faden vorzugsweise in den Brennpunkt der Parabelfläche oder der sonstigen durch
den Reflektor gebildeten Fläche eingestellt. Der Kolben ist wenigstens zum Teil
lichtdurchlässig und vorzugsweise durchsichtig und kann gewünschtenfalls bekannte
Linsenelemente enthalten.
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Der Kolben wird luftleer gepumpt und beispielsweise bei etwas unter
Außenluftdruck mit einer Mischung gefüllt, die aus einem flüchtigen Kohlenwasserstoff
und Wasserstoff besteht. Diesen Gasen wird gewünschtenfalls ein inertes hochdurchsichtiges
Gas von geringer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Argon, Krypton oder Xenon,
zugemischt.
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Es soll so viel flüchtiger Kohlenwasserstoff verwendet werden, daß
genügend Kohlenstoff vorhanden ist, um den gesamten erwärmten Teil des Tantalfadens
in Tantalkarbid umzuwandeln, und außerdem einen Gleichgewichtszustand zu schaffen,
der einen Kohlenstoffverlust aus der Oberfläche des Glühfadens bei Brenntemperaturen
verhütet. Praktisch bedeutet dies eine Mindestmenge von dem Dreifachen oder Vierfachen
der berechneten Kohlenwasserstoffmenge, die notwendig ist, um den Faden vollständig
zu Tantalkarbid umzuwandeln. Vorzugsweise wird ein beträchtlicher Überschuß an flüchtigem
Kohlenwasserstoff über die erwähnte Mindestmenge verwendet.
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Es kann zwar jeder flüchtige Kohlenwasserstoff innerhalb des Glühlampenkolbens
verwendet werden, doch wird Methan oder Äthylen bevorzugt. Während der Erwärmung
der Glühlampe wird durch die bei der hohen Temperatur des Tantalkarbidfadens in
der beschriebenen Atmosphäre vor sich gehenden Umsetzungen wahrscheinlich etwas
Äthylen gebildet. Der Mengenanteil des flüchtigen Kohlenwasserstoffes zu dem Wasserstoff
in dem innerhalb des Kolbens vorhandenen Gasgemisch ist nicht von Bedeutung. Vorzugsweise
enthält das Gemisch mehr als die doppelte Menge an Wasserstoff als an flüchtigem
Kohlenwasserstoff. Wird zwischen den Elektroden ein Glühfaden von ungefähr 12,5
mm Länge und von 0,254 bis 0,381 mm Durchmesser verwendet, so enthält der Kolben
vorteilhaft wenigstens etwa 20 ccm Methan oder einen anderen flüchtigen Kohlenwasserstoff
und wenigstens etwa 50 ccm Wasserstoff. Der Rest des innerhalb des Kolbens befindlichen
Gasgemisches kann entweder Wasserstoff oder ein inertes Gas, beispielsweise Argon,
sein. Handelt es sich um eine große Glühlampe, deren Kolbenvolumen verhältnismäßig
groß ist und beispielsweise 2800 ccm beträgt, so kann die innerhalb des Glühlampenkolbens
liegende Atmosphäre vorzugsweise etwas mehr an flüchtigem Kohlenwasserstoff, beispielsweise
25 bis 30 ccm, enthalten, während der Rest der Atmosphäre vollständig aus Wasserstoff
oder aus einem Gemisch von Wasserstoff und einem geeigneten inerten Gas bestehen
kann, das wenigstens etwa 150 bis 200 ccm Wasserstoff enthält.
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Derartige Glühlampen, d. h. Glühlampen, die einen Faden aus Tantalkarbid
sowie einen Kolben besitzen, der eine kleine Menge eines flüchtigen Kohlenwasserstoffes
sowie Wasserstoff mit oder ohne Zusatz eines inerten Gases geringer Wärmeleitfähigkeit
enthält, können zufriedenstellend mit Spannungen betrieben werden, die Glühfadentemperaturen
im Bereich von 3600 bis 3800'K ergeben und können unter diesen Bedingungen während
verhältnismäßig langer Zeiträume brennen, beispielsweise während 25 Stunden, ohne
daß ein Schwärzen erfolgt, d. h. ohne daß sich ein schwarzer Niederschlag auf der
Innenfläche des Kolbens bildet und ohne daß eine merkliche Änderung der chemischen
Zusammensetzung des Leuchtfadens eintritt. Die erfindungsgemäßen Glühlampen arbeiten
mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad (Lichtstärke j e Watt) als die üblichen
Wolframfadenlampen. Versuche haben gezeigt, daß der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen
Glühlampen etwa das Dreifache der üblichen Glühlampen beträgt.
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Der Leuchtfaden der erfindungsgemäßen Glühlampe kann natürlich durch
jedes geeignete Verfahren aus Tantal in. Tantalkarbid und gewünschtenfalls vor dem
Einsetzen in den Glühlampenkolben umgewandelt werden. Ein bevorzugtes Verfahren
bei der Herstellung der neuen Glühlampen, bei dem keine Handhabung und Formung des
Tantallkarbids erforderlich ist, besteht darin, den Faden innerhalb des Lampenkolbens
aus Tantal in Tantalkarbid umzuwandeln, und zwar nachdem der Glühiampenkolben mit
der bevorzugten Atmosphäre gefüllt und dann zugeschrnolzen worden ist. Dieses Verfahren
wird in folgender Weise ausgeführt Es wird eine Glühlampe mit einem Faden aus Tantalmetall
hergestellt, die aber in allen Hinsichten der vorstehend beschriebenen Glühlampe
gleich ist, d. h. ihr Kolben wird luftleer gemacht und wird. mit einem passenden
Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Wasserstoff mit oder ohne Zusatz eines inerten
Gases geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt. An den Glühfaden wird dann eine so große
Spannung angelegt, daß die Temperatur des Fadens auf etwa 2800°K steigt. Diese Temperatur
wird während annähernd einer Minute beibehalten, worauf die Temperatur durch Erhöhung
der Spannung allmählich gesteigert wird, bis eine Fadentemperatur von annähernd
3600'K erreicht ist. Dieser Temperaturanstieg wird bei einem Faden der erwähnten
Länge und des erwähnten Durchmessers in etwa 8 oder 9 Minuten erreicht. Der erwärmte
Abschnitt des Fadens ist dann im wesentlichen völlig in Tantalkarbid umgewandelt,
wie durch Analyse mittels Röntgenstrahlen festgestellt wurde. Um eine völlige Um-
Wandlung
sicher zu erzielen, kann die Glühlampe mit einer Fadentemperatur von annähernd 3600°K
für weitere 5 bis 10 Minuten geheizt werden, wobei während dieser Zeit die Temperaturfarbe
des Fadens wiederholt geprüft wird, um festzustellen, ob die Umwandlung beendet
ist. Die Glühlampe ist nunmehr zur wirtschaftlichen Verwendung fertig und kann während
längerer Zeitabschnitte bei Fadentemperaturen im Bereich von 3600 bis 3800°K arbeiten.
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Unter dem verwendeten Ausdruck »Leuchtfaden« oder »Glühfaden« ist
der innerhalb des Lampenkolbens liegende erwärmte Leuchtstreifen zu verstehen, und
zwar ohne Rücksicht auf Größe und Form sowie auf den Umstand, ob der Streifen draht-
oder bandförmig, flach, in Wendelform gewickelt, zu einer Schleife gebogen oder
gewellt ist.