DE1270684B

DE1270684B - Gasgefuellte Gluehlampe mit einem Wolfram-Gluehkoerper und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1270684B
Application number: DE19611270684
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Johann Schroeder
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1961-07-26
Filing date: 1961-07-26
Publication date: 1968-06-20

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIk

Deutsche KL: 2If-40

Nummer: 1270 684

Aktenzeichen: P 12 70 684.2-33

Anmeldetag: 26. Juli 1961

Auslegetag: 20. Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgefüllte Glühlampe mit einem Wolfram-Glühkörper und einer Gasfüllung, die ganz oder teilweise aus Wolfram« hexafluorid besteht.

Die Lebensdauer einer Wolfram-Glühlampe hängt von der Verdampfungsgeschwindigkeit des Wolframs und somit von der Brenntemperatur ab. Die Lichtausbeute wird dabei um so größer, je höher die Brenntemperatur ist. Um nun bei möglichst hoher Brenntemperatur und somit bei möglichst hoher Lichtausbeute eine lange Lebensdauer der Glühkörper zu erreichen, muß die Verdampfungsgeschwindigkeit bei gegebener Temperatur durch geeignete Maßnahmen erniedrigt werden. Es sind viele inerte Füllgase bekannt, um die Verdampfung des Wolframs zu unterdrücken. Die Erfahrung hat gezeigt, daß zu diesem Zweck Inertgase mit möglichst hohem Molekulargewicht am besten geeignet sind. Als brauchbare Gase kommen aber hierfür hauptsächlich Stickstoff und Argon in Frage und nur für teuere Speziallampen die schwereren und wesentlich teuereren Edelgase.

Als angeblich inertes Füllgas für Wolframlampen ist in der britischen Patentschrift 373 096 Wolframhexafluorid genannt worden. Hiernach soll die Lampe mit reinem Wolframhexafluorid mit einem Druck von einer Atmosphäre oder mit einer Mischung von üblichen Inertgasen und Wolframhexafluorid, wobei das Hexafluorid einen Partialdruck von wenigstens 10 Torr aufweist, gefüllt werden. Dieser Vorschlag ist, wie Versuche ergaben, nicht technisch durchführbar. Wolframhexafluorid in diesen Mengen reagiert nämlich sehr schnell nach Einschalten der Lampe energisch mit dem Glühkörper unter Abschwärzung der Kolbenwand und Zerfall des Glühkörpers. Außerdem greift WF₆ sowie das aus der Dissoziation des WF₆ am heißen Glühkörper gebildete Fluor die kälteren Lampenteile an. Wolframhexafluorid ist also kein Inertgas. In diesem Zusammenhang sei noch verwiesen auf die USA.-Patentschrift 2 883 571, in der ausgeführt ist, daß sich Fluor als Füllgas in Glühlampen mit Wolframglühkörper nicht eignet.

Es ist allerdings bereits bekannt, in Wolfram-Glühlampen als Füllgas oder als Zusätze zu Inertgasfüllungen solche Stoffe zu verwenden, die sich nicht indifferent gegenüber dem Glühkörper verhalten. Hierzu wurden z. B. die Halogene Chlor, Brom und Jod und einige ihrer Verbindungen genannt, und zwar mit Drücken von weniger als 1 Toir, vorzugsweise weniger als VioTorr. Diese Stoffe sollen bewirken, daß die zugesetzte oder in der Lampe durch thermische Reaktion gebildete Wolfram-Halogen-Verbindung nach thermischer Dissoziation Wolfram am Glüh-

Gasgefüllte Glühlampe mit einem Wolfram-Glühkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven

(Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Auer, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Chem. Dr. Johann Schröder, 5100 Aachen

körper abscheidet. Wesentliche Nachteile dieser HaIo-

ao gene sind jedoch, daß die in der Lampe gebildeten Wolframverbindungen thermisch wenig stabil und bei Zimmertemperatur feste Stoffe sind. Schon bei Temperaturen unterhalb der Wendeltemperatur sind sie völlig dissoziiert. Dadurch wird das Wolfram nicht nur an

as den heißesten Glühkörperteilen, wo die Verdampfung des Wolframs am schnellsten vorgeht, abgeschieden, sondern auch an kälteren Stellen. Die Abscheidung erfolgt also ungleichmäßig und bewirkt daher keine Homogenisierung des Glühkörpers. Jod ist darüber hinaus nicht fähig, mit dem verdampften, an der kälteren Kolbenwand abgeschiedenen Wolfram zu reagieren, um so einen Kreisprozeß aufrechtzuerhalten, der die Verdampfung des Wolframs kompensiert und eine Schwärzung der Lampe unterdrückt. Dasselbe gilt für Brom- und Chlorverbindungen. Aus diesem Grunde und wegen der geringen Flüchtigkeit der in der Lampe gebildeten Wolframverbindungen muß der Lampenkolben so bemessen werden, daß dieser während des Betriebes der Lampe überall eine Temperatur von über 250°C annimmt. Hierzu werden die Kolben meistens aus Quarz gefertigt, was wieder Schwierigkeiten bei der Herstellung solcher Lampen zufolge hat. Auch können sich die hohe Wandtemperatur und die grundsätzlich kleinen Lampenkolben bei der späteren Verwendung nachteilig auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lampe zu schaffen, in der über einen Kreisprozeß von dem Glühkörper verdampftes Wolfram diesem wieder zurückgeführt wird, wobei die Nachteile von Chlor, Brom und Jod nicht auftreten, daß also die Notwendigkeit der erhöhten Aufheizung der Kolbenwand und damit die Verwendung eines besonders kleinen

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und aus hochtemperaturfestem Material bestehenden Kolbens entfällt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Glühlampe eingangs erwähnter Art, deren Gasfüllung ganz oder teilweise aus Wolframhexafluoiid besteht, dadurch gelöst, daß zur Erzielung eines regenerativen Wolfram-Kreisprozesses der Druck oder Paitialdruck des Wolframhexafluorids in der Lampe zwischen 0,5 und 5 Torr beträgt und daß außer dem heißen Glühkörperteil alle Lampenteile, mit denen das Füllgas in Berührung steht, aus fluorbeständigem Material bestehen oder eine(n) fluorbeständige(n) Umhüllung und/oder Überzug aufweisen. Diese WF₆-Drücke entsprechen umgerechnet auf das reine Fluor (F₂) Drücken von 1,5 bis 15 Torr.

Derart geringe Mengen Wolframhexafluorid als reagierendes Transportgas in einem derartigen Kreisprozeß können die Verdampfung des Glühkörpers und die Schwärzung des Kolbens dauerhaft unterdrücken.

Wolframhexafluorid ist bedeutend stabiler als alle bisher vorgeschlagenen Stoffe, die einen Wolframtransport zum Glühkörper bewirken sollen. Dadurch wird nur auf die heißesten Glühkörperteile Wolfram aufgetragen, wo auch der Dampfdruck des Wolframs am größten ist. Das bei der Dissoziation des WF₆ entstandene Fluor reagiert schon in der Kälte mit Wolfram zum Hexafluorid, so daß verdampftes Wolfram im Kreisprozeß ständig wieder über WF₆ auf den heißen Glühkörper transportiert wird. Ein weiterer Vorteil des WF₆ ist der, daß Wolfram nicht wie bei den thermisch instabileren Transportgasen ungleichmäßig in Kristallen auf dem gesamten Glühkörper abgeschieden wird. Sobald ein Kristall aus der Oberfläche des Glühkörpers wächst, wird dieser kalter, da er weniger von Strom durchflossen wird und infolge größerer Oberfläche mehr abstrahlt. An diesen kälteren Stellen geht aber die Dissoziation des WF₆ und damit auch die Abscheidung von Wolfram zurück, und durch die umgekehrte Reaktion

3F₂ + W-^WF₆

wird Wolfram wieder abgetragen. Es wird also immer nur an den dünneren heißen Stellen des Glühkörpers Wolfram aufwachsen, wodurch ein gleichmäßiger Querschnitt des Glühkörpers und damit eine Homogenisierung erreicht wird. Selbst wenn nachträglich ein Teil des Fluors allmählich gegettert werden sollte, wird doch durch diese Homogenisierung eine beträchtliche Verlängerung der Lebensdauer des Glühkörpers herbeigeführt.

Die Temperatur des Glühkörpers kann ohne Gefahr bis nahe an den Schmelzpunkt von Wolfram gebracht werden. Die Lebensdauer der Lampen nach der Erfindung ist nicht mehr abhängig von der Verdampfungsrate des Glühkörpermaterials. Die Lebensdauer wird nur begrenzt von der Geschwindigkeit, mit der die kalten Enden des Glühkörpers angegriffen werden. Da Fluor schon in der Kälte mit Wolfram reagiert, werden nämlich die kälteren Enden des Glühkörpers von dem aus der Dissoziation stammenden Fluor schnell unter Bildung von WF₆ angegriffen. Dieser unerwünschte Angriff tritt insbesondere an Stellen mit Temperaturen unterhalb 2000⁰C auf. Die Enden des Glühkörpers werden deshalb gemäß der Erfindung durch eine fluorbeständige Umhüllung gegen Angriff durch Fluor geschützt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß z. B. die kälteren Enden des Wolframdrahtes durch ein Röhrchen geleitet werden, welches den Draht möglichst eng umgibt, ohne jedoch durch direkte Berührung elektrischen und thermischen Kontakt zu haben. Ein derartiges Röhrchen kann z. B. aus einem Fluorid oder einem Metall bestehen, das gegen Fluor beständig ist.

Alle übrigen Metallteile werden vorteilhaft aus solchen Metallen hergestellt, die entweder beständig sind gegen Angriffe durch Fluor und Wolframhexafluorid oder sich mit einer dünnen Metallfluoridschicht überziehen, die den weiteren Angriff verhindert. Als solche kommen z. B. Kupfer, Nickel, Aluminium und Magnesium in Betracht; insbesondere Nickel wird bevorzugt, da es noch bei Temperaturen bis 700° C gegen Fluor beständig ist.

Trockenes Fluor oder trockene Fluorverbindungen greifen bei Zimmertemperaturen weder Glas noch Quarz an. Bei erhöhter Temperatur ist es aber erforderlich, alle Lampeiiteile außer dem heißen Glüh-

körper mit einem fluorbeständigen Überzug zu versehen, z. B. durch eine dünne Schutzschicht von CaF₈ oder MgF₂.

Wie aus der nachstehenden Tabelle hervorgeht, beginnt erst bei Drücken von etwa 5 Torr abwärts sich der Kreisprozeß in einer wesentlichen Lebensdauerverlängerung des Glühkörpers auszuwirken. Bei Drücken zwischen etwa 0,5 und 5 Torr wird z. B. für Projektionslampen eine brauchbare Lebensdauer erhalten.

Lebensdauer von Lampen mit Glühkörpern

aus Wolfram

Brennspannung: 15 V

Brenntemperatur: 300O⁰C

	*)	Druck oder	Atm.	Lebensdauer
Gasfüllung		Partialdruck	Torr	(Zerstörung
		des WF₆	Torr	des Glühkörpers)
WF₆		1	Torr	wenige Sekunden
Ar+ WF₆	*)	10	Ton-	2 Stunden
WF₆	*)	10	Torr	30 Minuten
WF₆	5	>Torr	20 Stunden
WF₆	1	43 Stünden
Ar+ WF₆	1	71 Stunden
Ar + WF₆	0,i	96 Stunden

*) Partialdruck des Ar 700 Torr

Die Lampe kann sowohl mit reinem Wolframhexafluorid als auch mit einem Gemisch aus WF₆ und einem Inertgas, wie Stickstoff, Argon od. dgl., gefüllt werden.
Nach einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung von Glühlampen nach der Erfindung kann an Stelle von WF₆ auch Fluor odei eine flüchtige Fluorverbindung, insbesondere Stickstofffluorid, die sich bei Erhitzung durch den Glühkörper zu Fluor und inerten Zerfallsprodukten, z. B. Stickstoff, zersetzt, zur Erzeugung von Wolframhexafluorid in die Lampe eingegeben werden.

Es sei noch erwähnt, daß aus der britischen Patentschrift 821465 bereits eine Glühlampe mit Tantalkarbid-Glühkörper bekannt ist, die eine Füllung aus Halogengas und Wasserstoff aufweist. Hierdurch soll die Zersetzung des Glühkörpers in Tantal und Kohlenstoffunterdrückt und damit eine Erhöhung der Wendeltemperatur erreicht werden. Die Zersetzung wird

unterdrückt, indem in Wendelnähe durch Zersetzung der Gasfüllung ein Kohlenstoffdampfdruck hervorgerufen wird, der gleich oder größer ist als der übliche Dampfdruck von Kohlenstoff über Tantalkarbid bei Wendeltemperatur ohne Halogengasfüllung. Wird Fluor als Halogengas verwendet, so verbindet sich dieses mit dem Wasserstoff zu dem sehr stabilen Fluorwasserstoff. Ein Kreisprozeß kann hier also gar nicht auftreten. Aus diesem Grunde läßt sich bei diesen Lampen das Absetzen von Kohlenstoff auf den Lampenkolben letztlich auch nicht vermeiden.

Die Zeichnung zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Glühlampe nach der Erfindung.

Der Kolben 1 aus Glas ist mit einem dünnen MgF₂-Überzug 2 bedeckt. Der Glühkörper 3 besteht aus Wolfram und die Gasfüllung aus Wolframhexafluorid und Inertgas. Die Halterung 4 und Stromzuführung für den Glühkörper 3 ist aus Nickel gefertigt. Die Glühkörperenden stecken in Nickelröhrchen 5, welche die Glühkörperenden vor Reaktion mit dem beim Betrieb der Lampe auftretenden freien Fluor schützen.

Claims

Patentansprüche:

1. Gasgefüllte Glühlampe mit einem Wolfram-Glühkörper und einer Gasfüllung, die ganz oder teilweise aus Wolframhexafluorid besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines regenerativen Wolfram-Kreisprozesses der Druck oder Partialdruck des Wolframhexafluorids in der Lampe zwischen 0,5 und 5 Torr beträgt und daß außer dem heißen Glühkörperteil alle Lampenteile, mit denen das Füllgas in Berührung steht, aus fluorbeständigem Material bestehen oder eine(n) fluorbeständige(n) Umhüllung und/ oder Überzug aufweisen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Wolframhexafluorid in die Lampe Fluor oder eine flüchtige Fluorverbindung, die sich bei Erhitzung durch den Glühkörper zu Fluor und inerten Zerfallprodukten zersetzt, eingegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluorverbindung Stickstofffluorid verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 833 221, 841307, 718;

britische Patentschriften Nr. 373 096, 821 465;
USA.-Patentschrift Nr. 2 883 571.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 560/185 6.68 ® Bundesdruckerei Berlin