DE202009013860U1 - halogen bulb - Google Patents

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Abstract

Halogenglühlampe, mit einem Leuchtkörper, der in einem Kolben untergebracht ist, wobei im Kolben eine halogenhaltige Füllung untergebracht ist, wobei der Leuchtkörper zumindest an der Oberfläche aus einem Metallnitrid oder einer Legierung von Metallnitriden besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des den Leuchtkörper umgebenden Kolbens höchstens 25 mm beträgt, wobei der Betriebsdruck in der Lampe mindestens 2 bar beträgt und wobei das Füllgas neben Edelgas mindestens 0,1% Stickstoff enthält und wobei das Füllgas mindestens ein Halogen aus der Gruppe Fluor, Chlor, Brom, Jod enthält.Halogen incandescent lamp, with a luminous body, which is housed in a piston, wherein the bulb is a halogen-containing filling is housed, wherein the luminous body consists at least on the surface of a metal nitride or an alloy of metal nitrides, characterized in that the diameter of the bulb surrounding the bulb is at most 25 mm, wherein the operating pressure in the lamp is at least 2 bar and wherein the filling gas in addition to inert gas contains at least 0.1% nitrogen and wherein the filling gas contains at least one halogen from the group fluorine, chlorine, bromine, iodine.

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Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie sind insbesondere für den Betrieb an Mittelvolt bis Hochvolt (HV) mit typisch 80 bis 250 V gedacht.The Invention is based on a halogen incandescent lamp according to the Preamble of claim 1. They are in particular for Operation at medium voltage to high voltage (HV) with typically 80 to 250 V thought.

Stand der TechnikState of the art

Der Wirkungsgrad von thermischen Strahlern wird im Wesentlichen bestimmt durch die Temperatur des Leuchtkörpers und die Strahlungsselektivität für den sichtbaren Bereich. Um die Effizienz der herkömmlichen thermischen Strahler mit Wolfram-Wendel zu steigern, kann man zum einen Materialien mit höherem Schmelzpunkt als Wolfram einsetzen, welche den Gebrauch einer höheren Temperatur erlauben. Bekannte Beispiele hierfür sind z. B. die hochschmelzenden Carbide wie Tantalcarbid, Hafniumcarbid, Zirkoniumcarbid usw., bzw. Legierungen dieser Carbide. Zum anderen kann man Materialien einsetzen, die einen größeren Teil der zugeführten elektrischen Leistung als sichtbare Strahlung anstelle von IR-Strahlung abstrahlen. Bekannte Beispiele hierfür sind neben den bereits erwähnten Carbiden die Nitride einiger Übergangsmetalle wie z. B. Hafniumnitrid und Zirkoniumnitrid. Zusätzlich gehen in die Energiebilanz die durch die Lampenkonstruktion bzw. Lampenauslegung bedingten Verluste ein, wie insbesondere Wärmeableitung über die Wendelenden und das Füllgas, Wärmeabstrahlung der Wendelenden, Verluste in den Stromzuleitungen im vakuumdichten Glas-Metall-Übergang, welche aber im folgenden nicht weiter betrachtet werden.Of the Efficiency of thermal radiators is essentially determined by the temperature of the filament and the radiation selectivity for the visible area. To the efficiency of the conventional To increase thermal radiator with tungsten filament, one can to a material with a higher melting point than tungsten which use a higher temperature allow. Well-known examples of this are z. B. the refractory Carbides such as tantalum carbide, hafnium carbide, zirconium carbide, etc., or Alloys of these carbides. On the other hand, you can use materials which a larger part of the supplied electrical power as visible radiation instead of IR radiation radiate. Well-known examples of this are in addition to the already mentioned carbides, the nitrides of some transition metals such as Hafnium nitride and zirconium nitride. additionally go into the energy balance by the lamp design or Lamp design conditional losses, in particular heat dissipation over the filament ends and the filling gas, heat radiation the filament ends, losses in the power supply lines in the vacuum-tight Glass-to-metal transition, which in the following not further to be viewed as.

In US-A 5148080 wird der Gebrauch von Leuchtkörpern aus Nitriden vorgeschlagen, um die Effizienz von Glühlampen zu erhöhen. Vorgeschlagen wird die Nitrierung von Leuchtkörpern aus Hafnium oder Tantal oder Hafnium-Tantal-Legierungen, wobei die Metalle durch chemische Reaktion in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre in Nitride umgesetzt werden. Da die Schmelzpunkte der reinen Metalle (z. B. Hafnium: Schmelzpunkt 2227°C) deutlich unterhalb denjenigen der Nitride (z. B. bei Hafnium-Nitrid 3310°C) bzw. typischen Leuchtkörpertemperaturen liegen, erfolgt die Nitrierung zunächst bei typischerweise 1500°C. Während der Nitrierung kann die Temperatur allmählich gesteigert werden. Charakteristisch für die so gewonnenen Leuchtkörper aus Metallnitriden ist, dass das Metallnitrid unterstöchiometrisch ist – d. h. es enthält weniger als 50 Atom-% N. Alternativ kann der Leuchtkörper auch einem Substrat – z. B. Wolfram – gefertigt werden, auf welchem durch bekannte physikalische (z. B. PVD) oder chemische (z. B. CVD) Prozesse Hafnium, Tantal oder Legierungen abgeschieden werden. Die Beschichtung wird anschließend ebenfalls nitriert.In US-A 5148080 The use of nitride illuminants is proposed to increase the efficiency of incandescent lamps. The proposal is to nitride luminescent bodies of hafnium or tantalum or hafnium-tantalum alloys, the metals being converted into nitrides by chemical reaction in a nitrogen-containing atmosphere. Since the melting points of the pure metals (eg hafnium: melting point 2227 ° C.) are significantly below those of the nitrides (eg hafnium nitride 3310 ° C.) or typical illuminant temperatures, nitration initially takes place at typically 1500 ° C. During nitriding, the temperature can be gradually increased. Characteristic of the thus obtained luminous body made of metal nitrides is that the metal nitride is substoichiometric - ie it contains less than 50 atom% N. Alternatively, the luminous body and a substrate -. Tungsten - on which hafnium, tantalum or alloys are deposited by known physical (eg PVD) or chemical (eg CVD) processes. The coating is then also nitrided.

Zwar besitzen die technisch interessanten Nitride wie HfN bzw. ZrN vergleichsweise hohe Schmelzpunkte im Bereich um oder über 3000°C. Sie zersetzen sich jedoch thermisch bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen unter Abgabe von Stickstoff bzw. Verdampfung von Metall. In US 514080 wird beschrieben, dass sich der Leuchtkörper stabilisieren lässt, wenn er in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre betrieben wird.Although the technically interesting nitrides such as HfN and ZrN have comparatively high melting points in the range around or above 3000 ° C. However, they decompose thermally even at significantly lower temperatures with release of nitrogen or evaporation of metal. In US 514080 It is described that the luminous body can be stabilized when it is operated in a nitrogen-containing atmosphere.

In GB 2124023 wird die Beschichtung von Glühkörpern mit Suspensionen von Nitriden (z. B. HfN, ZrN) beschrieben, die als Getter wirken und die die Wendel stabilisieren.In GB 2124023 describes the coating of incandescent bodies with suspensions of nitrides (eg HfN, ZrN), which act as getters and stabilize the filaments.

In Proceedings of 8th International Symposium an the Science and Technology of Light Sources (LS-8), L. Bigio, „Investigation of HfN coatings an tungsten for incandescent lamp efficacy improvement”, p. 188–189, (1998) wird der Gebrauch von mit HfN beschichteten Glühwendeln in Glühlampen beschrieben. Das HfN wurde hier mittels der CVD-Methode auf den Glühwendeln abgeschieden. Durch Betrieb der Glühwendeln in reinem Stickstoff oder in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre konnte die Abdampfung der Schicht weit zurückgedrängt werden. Bei Kaltfülldrücken von unter 1 bar (600 Torr, typischer Fülldruck von Glühlampen) wurde die Lebensdauer einer 3 μm–5 μm dicken Schicht zu 300 h bis 500 h ermittelt. Der Effizienzzuwachs lag zwischen 10% und 15%.In Proceedings of the 8th International Symposium on the Science and Technology of Light Sources (LS-8) L. Bigio, "Investigation of HfN Coatings on tungsten for incandescent lamp efficacy improvement", p. 188-189, (1998) describes the use of HfN coated incandescent filaments in incandescent lamps. The HfN was deposited here on the filaments by the CVD method. By operating the filaments in pure nitrogen or in a nitrogen-containing atmosphere, the evaporation of the layer could be pushed far back. At cold filling pressures of less than 1 bar (600 Torr, typical filling pressure of incandescent lamps), the lifetime of a 3 μm-5 μm thick layer was determined to be 300 h to 500 h. The increase in efficiency was between 10% and 15%.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halogenglühlampe bereitzustellen, die hohe Effizienz erzielt.The The object of the present invention is a halogen incandescent lamp to provide that achieves high efficiency.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.These Task is solved by the characterizing features of claim 1.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.Especially advantageous embodiments can be found in the dependent Claims.

Dem hier beschriebenen Vorgehen liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Performance beim Einsatz von mit Nitrid beschichteten Leuchtkörpern zu steigern, d. h. insbesondere die Lebensdauer der Beschichtung zu erhöhen.the The procedure described here is based in particular on the object, the performance when using nitride coated luminaires to increase, d. H. in particular the life of the coating to increase.

Dies wird durch folgende wesentliche Merkmale erreicht:
Erstens wurde bisher der Betrieb von Nitrid-beschichteten Leuchtkörpern lediglich in Kolben von Glühlampen beschrieben (Betriebsdruck bei etwa 1 bar oder nur wenig oberhalb 1 bar). Von Vorteil ist jedoch der Gebrauch von Nitrid-beschichteten Leuchtkörpern in Kolben aus Quarzglas, Hartglas bzw. Keramiken, deren Durchmesser demjenigen von typischen Halogenlampen entspricht. D. h. er liegt bevorzugt im Bereich unterhalb 25 mm, besonders bevorzugt unterhalb 20 mm. Dies erlaubt die Verwendung deutlich erhöhter Betriebsdrücke. Typisch liegen sie im Bereich oberhalb 2 bar, bevorzugt im Bereich zwischen 5 bar und 25 bar. Durch den höheren Betriebsdruck wird die Abdampfung der Schicht durch die bei höheren Drücken deutlich langsamere Diffusion drastisch verringert.
This is achieved by the following essential features:
First, so far the operation of nitride-coated lamps has only been described in bulbs of incandescent lamps (operating pressure at about 1 bar or just above 1 bar). Of advantage, however, is the use of nitride-coated luminaires in flasks made of quartz glass, hard glass or ceramics, whose diameter corresponds to that of typical halogen lamps. Ie. he lies ahead given in the range below 25 mm, more preferably below 20 mm. This allows the use of significantly increased operating pressures. Typically, they are in the range above 2 bar, preferably in the range between 5 bar and 25 bar. Due to the higher operating pressure, the evaporation of the layer is drastically reduced by the significantly slower diffusion at higher pressures.

Je höher der Stickstoff-Partialdruck im Füllgas, desto besser wird die Nitrid-Schicht stabilisiert. Bei Gebrauch höherer Gesamtdrücke lassen sich größere Stickstoff-Partialdrücke realisieren, ohne dass die Lampengüte durch die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit oder der Transportraten negativ beeinflusst wird. Zum Beispiel entspricht eine Mischung 90% Kr/10% N2 bei einem Gesamtdruck von 1 bar einem Stickstoff-Partialdruck von 100 mbar. In einer Halogenlampe mit einem Betriebsdruck von 8 bar erhält man für ein Füllgas 90% Kr/10% N2 einen Stickstoff-Partialdruck von 800 mbar und somit eine erheblich bessere chemische Stabilisierung der Schicht auf Grund des höheren Partialdrucks. Zur Realisierung eines Stickstoff-Partialdrucks von 800 mbar bei einem Gesamtdruck von nur 1 bar wie in einer konventionellen Glühlampe müsste man eine Gasmischung von 20% Kr und 80% N2 einsetzen. Dies bedingt jedoch in der Lampe durch den dadurch bedingten großen Molenbruch des Stickstoffs beim Massenwirkungsgesetz eine deutliche Erhöhung der Wärmeverluste durch Wärmeleitung über das Füllgas, sowie eine Erhöhung der Transportraten durch die schnellere Diffusion in Stickstoff. Mit anderen Worten bewirkt eine Erhöhung des Stickstoff-Anteils bei konstantem Gesamtdruck zwar eine bessere chemische Stabilisierung der Nitrid-Beschichtung, verursacht jedoch andererseits eine deutliche Verringerung der Effizienz durch die vergrößerte Wärmeleitfähigkeit, bzw. wirkt durch Erhöhung der Transportraten in Richtung einer Beschleunigung der Abdampfung der Beschichtung. Somit wird in einer konventionellen Glühlampe mit einem Betriebsdruck um oder nur wenig über 1 bar der eigentlich positive chemische Effekt des erhöhten Stickstoff-Partialdrucks durch die beschriebene erhöhte Wärmeleitfähigkeit zum Teil kompensiert bzw. sogar u. U. überkompensiert.The higher the nitrogen partial pressure in the filling gas, the better the nitride layer is stabilized. When using higher total pressures, larger nitrogen partial pressures can be achieved without adversely affecting lamp quality by increasing the thermal conductivity or the transport rates. For example, a mixture corresponds to 90% Kr / 10% N 2 at a total pressure of 1 bar a nitrogen partial pressure of 100 mbar. In a halogen lamp with an operating pressure of 8 bar 90% Kr / 10% N 2 is obtained for a filling gas a nitrogen partial pressure of 800 mbar and thus a much better chemical stabilization of the layer due to the higher partial pressure. To realize a nitrogen partial pressure of 800 mbar at a total pressure of only 1 bar as in a conventional incandescent lamp one would have to use a gas mixture of 20% Kr and 80% N 2 . However, this causes in the lamp due to the consequent large molar fraction of nitrogen in the law of mass action a significant increase in heat losses by conduction through the filling gas, and an increase in transport rates through the faster diffusion in nitrogen. In other words, an increase in the nitrogen content at constant total pressure, although a better chemical stabilization of the nitride coating, but on the other hand causes a significant reduction in efficiency due to the increased thermal conductivity, or acts by increasing the transport rates in the direction of accelerating the evaporation of the coating. Thus, in a conventional incandescent lamp with an operating pressure of about or just over 1 bar, the actually positive chemical effect of the increased nitrogen partial pressure is compensated in part by the described increased thermal conductivity or even u. U. overcompensated.

Zusammenfassend wirkt sich ein höherer Gesamtdruck, bei gleicher Zusammensetzung des Stickstoff enthaltenden Füllgases, in doppelter Hinsicht positiv aus:

  • – deutliche Verlangsamung der Schicht-Abdampfung durch verringerte Diffusionsgeschwindigkeit;
  • – bessere chemische Stabilisierung der Nitrid-Schicht durch größere N2-Partialdrücke.
In summary, a higher total pressure, with the same composition of nitrogen-containing filling gas, has a positive effect in two respects:
  • Significant slowdown of the layer evaporation by reduced diffusion rate;
  • - Better chemical stabilization of the nitride layer by larger N2 partial pressures.

Zweitens ist bei Gebrauch von kleinen Kolbendurchmessern die Verwendung eines Halogenzusatzes zum Füllgas erforderlich. Dadurch wird die Abscheidung von metallischen Komponenten an der Kolbenwand verhindert. Zudem hat der Halogenzusatz unter Verwendung geeigneter Halogene bzw. Randbedingungen eine regenerative Wirkung hinsichtlich der Lebensdauer der Beschichtung, d. h. er wirkt sich lebensdauerverlängernd auf die Schicht aus.Secondly When using small piston diameters, the use of a Halogen addition to the filling gas required. This will prevents the deposition of metallic components on the piston wall. In addition, the halogen has added using suitable halogens or boundary conditions a regenerative effect in terms of Lifetime of the coating, d. H. it has a life-prolonging effect on the layer.

Dampft zum Beispiel aus einer Zirkonnitrid-Beschichtung langsam Zirkonium aus, so wird dieses nahe der Kolbenwand in Zirkoniumbromid umgewandelt, welches – im Gegensatz zum Zirkonium – nicht an der Kolbenwand ausfällt. Durch den Halogenzusatz wird also ein Ausfall von Zirkonium an der Kolbenwand verhindert. Das Zirkoniumbromid zersetzt sich erst bei Temperaturen um oder oberhalb ca. 2100 K bis 2600 K, je nach Randbedingungen und Halogenkonzentration. Es wird in dem entsprechenden Temperaturbereich am Leuchtkörper abgeschieden. Im Temperaturbereich von ca. 2100 K bis ca. 2600 K hat dieser Zr-Br-Kreisprozess somit eine regenerative Komponente, d. h. der Halogenzusatz trägt zur Verlängerung der Schichtlebensdauer bei. Das abgedampfte Zirkonium wird somit zumindest teilweise zum im geeigneten Temperaturbereich befindlichen Leuchtkörper zurücktransportiert. Zusammen mit dem Stickstoff aus dem Füllgas bildet sich wieder Zirkoniumnitrid an der Wendeloberfläche. Somit wird das abgedampfte Zirkonium über einen Kreisprozess zur Wendel zurück transportiert, während der Stickstoff direkt aus dem Füllgas als Reagenz zur Nitrierung zur Verfügung steht. Man benötigt also keinen Kreisprozess für die Stickstoff-Komponente im ZrN.evaporated For example, from a zirconium nitride coating slowly zirconium aus, so this is converted near the piston wall in zirconium bromide, which - in contrast to zirconium - not on the piston wall fails. By the addition of halogen is so a failure of zirconium on the piston wall prevented. The zirconium bromide decomposes only at temperatures around or above about 2100 K to 2600 K, depending on the boundary conditions and halogen concentration. It will be in the corresponding temperature range deposited on the luminous body. In the temperature range from approx. 2100 K to approx. 2600 K this Zr-Br cycle process has thus a regenerative component, i. H. the halogen additive carries to extend the life of the coating. The evaporated Zirconium thus becomes at least partially within the appropriate temperature range transported back lighted luminous body. Together with the nitrogen from the filling gas forms again Zirconium nitride at the helical surface. Thus, that will evaporated zirconium via a circular process to the helix transported back, while the nitrogen directly from the filling gas as a reagent for nitriding available stands. So you do not need a cycle for the nitrogen component in the ZrN.

Wasserstoff im Überschuss gegenüber der Brom-Konzentration wirkt reduzierend auf Zirkoniumbromide im Temperaturbereich zwischen 1000 K und 2500 K ein. Eine Kolbenschwärzung ist dennoch nicht zu befürchten, weil unterhalb 1000 K die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs stark eingeschränkt ist. Die regenerative Wirkung auf die Beschichtung im genannten Temperaturbereich wird jedoch stark abgeschwächt. Das molare Verhältnis Wasserstoff:Brom sollte daher bevorzugt 5:1 nicht übersteigen.hydrogen in excess of the bromine concentration has a reducing effect on zirconium bromides in the temperature range between 1000K and 2500K. However, a blackening of the bulb is not to fear, because below 1000 K the reducing effect of hydrogen is severely limited. The regenerative Effect on the coating in the specified temperature range is but strongly weakened. The molar ratio of hydrogen: bromine should therefore preferably not exceed 5: 1.

Zirkoniumchloride zerfallen bei noch höheren Temperaturen als Zirkoniumbromide. Somit wird Zirkonium über den gesamten heißen Bereich des Leuchtkörpers bis hin zu Temperaturen von 2700 K bis über 3000 K – je nach Chlor-Konzentration – mit steigender Temperatur zunehmend freigesetzt. Bei typischen Leuchtkörpertemperaturen oberhalb 2600 K besitzt somit der Zirkonium-Chlor-Kreisprozess eine deutliche regenerative Komponente, d. h. durch den gezielten Rücktransport von Zirkonium zum Leuchtkörper, verbunden mit einer Nitrierung unter Einbeziehung des Stickstoffs im Füllgas, kann die Lebensdauer der Beschichtung deutlich verlängert werden. Wasserstoff wirkt – wenn auch nicht stark – reduzierend auf Zirkoniumchloride in einem mittleren Temperaturbereich um 2000 K ein, und führt zur Verringerung der Zirkonium-Löslichkeit in der Gasphase im Bereich 1500 K–2500 K. Er führt somit – sofern das molare Verhältnis Wasserstoff:Chlor das Verhältnis 5:1 nicht übersteigt, zu einer Abschwächung, aber nicht Unterbindung der regenerativen Komponente des Kreisprozess. Z. B. ist bei einem molaren Verhältnis Wasserstoff:Chlor = 1:1 die regenerative Komponente des Kreisprozess noch stark ausgeprägt.Zirconium chlorides decompose at even higher temperatures than zirconium bromides. Thus, zirconium over the entire hot area of the filament up to temperatures of 2700 K to over 3000 K - depending on the chlorine concentration - increasingly released with increasing temperature. At typical luminaire body temperatures above 2600 K thus the zirconium-chlorine cycle has a significant regenerative component, ie by the targeted return of zirconium to the luminaire, combined with a nitration with the inclusion of nitrogen in the filling gas, the life of the coating can be significantly extended the. Hydrogen, although not strong, reduces zirconium chlorides in an average temperature range around 2000 K, and reduces the zirconium solubility in the gas phase in the range of 1500 K-2500 K. It thus provides - if the molar ratio of hydrogen: chlorine the ratio does not exceed 5: 1, to a weakening, but not suppression of the regenerative component of the cycle. For example, at a molar ratio of hydrogen: chlorine = 1: 1, the regenerative component of the cycle is still very strong.

Analoge Aussagen lassen sich z. B. für die Verwendung von Brom oder Chlor in mit Hafniumnitrid beschichteten bzw. aus Hafniumnitrid bestehenden Leuchtkörpern ableiten.analog Statements can be z. B. for the use of bromine or hafnium nitride-coated or hafnium nitride-chlorine derive existing luminous bodies.

Je nach Randbedingungen ist auch der Einsatz der anderen Halogene Fluor und Jod zweckmäßig.ever after boundary conditions, the use of the other halogens is fluorine and iodine appropriate.

Bei der Herstellung der beschichteten Leuchtkörper lässt sich die Anwesenheit von Sauerstoff mit vertretbarem Aufwand meist nicht komplett ausschließen. Die Anwesenheit von Sauerstoff in den Nitrid-Schichten setzt meist schon bei kleineren Konzentrationen im Bereich von wenigen Atom-Prozenten die Strahlungsselektivität im Sichtbaren deutlich herunter, weil die Sauerstoffeinlagerungen eine drastische Erhöhung des Emissionskoeffizienten im IR bewirken. Hier wirkt sich der Gebrauch von halogenierten Kohlenwasserstoffen vorteilhaft aus, weil der Kohlenstoff zu einer Reduktion der Oxide unter Bildung des von Temperaturen von knapp unter 1000 K bis hin zu über 4000 K extrem stabilen Kohlenmonoxids führt. Im Falle von Sauerstoff-Einlagerungen wirkt die Zugabe von halogenierten Kohlenwasserstoffen somit Effizienz erhöhend. Nach der weitgehenden Entfernung des Sauerstoffs aus der Schicht werden geringe Mengen an Kohlenstoff in die Beschichtung eingelagert, meist nur wenige Prozent, oft weniger als 2%.at the production of coated luminous body leaves The presence of oxygen with reasonable effort usually not completely exclude. The presence of oxygen in the nitride layers usually sets already at smaller concentrations in the range of a few atomic percent, the radiation selectivity clearly down in the visible, because the oxygen deposits a drastic increase in the emission coefficient in the IR effect. Here, the use of halogenated hydrocarbons affects advantageous because the carbon to a reduction of the oxides under formation of temperatures ranging from just under 1000 K to leads to over 4000 K of extremely stable carbon monoxide. In the case of oxygen inclusions, the addition of halogenated acts Hydrocarbons thus increasing efficiency. After extensive removal of the oxygen from the layer become small Amounts of carbon embedded in the coating, mostly only a few percent, often less than 2%.

Zusammenfassend ist auf Basis der obigen Ausführungen die Verwendung von halogenierten Kohlenwasserstoffen – wie in „konventionellen” Halogenlampen mit Wolframwendel üblich – zweckmäßig, also z. B. CH2Br2, CBr2Cl2, CH2Cl2, CCl4, CHCl2Br, CHCl2I, usw.In summary, based on the above statements, the use of halogenated hydrocarbons - as usual in "conventional" halogen lamps with tungsten filament - appropriate, ie z. As CH 2 Br 2, CBr 2 Cl 2, CH 2 Cl 2, CCl 4, CHCl2Br, CHCl2I, etc.

Im Gegensatz zu US 5148080 wird erfindungsgemäß angestrebt, die Nitridbeschichtung möglichst stöchiometrisch auszulegen, um zu maximalen Effizienzsteigerungen zumindest zu Lebensdauer-Beginn zu gelangen. Dies ist erreichbar z. B. durch Einstellung geeigneter Parameter beim Sputterprozess.In contrast to US 5148080 According to the invention, it is desirable to design the nitride coating as stoichiometrically as possible in order to achieve maximum increases in efficiency at least at the beginning of the service life. This is achievable z. B. by setting suitable parameters in the sputtering process.

Das Substrat sollte möglichst nicht mit der Beschichtung reagieren. Wolfram bildet bei typischen Leuchtkörpertemperaturen keine Nitride, so dass Nitrid-Beschichtungen auf Wolfram-Glühwendeln stabil sind, d. h. dass das Wolfram der Beschichtung keinen Stickstoff entzieht.The If possible, substrate should not react with the coating. Tungsten does not form at typical illuminant temperatures Nitrides, making nitride coatings on tungsten filaments are stable, d. H. that the tungsten of the coating is not nitrogen withdraws.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden Substrate aus Kohlenstoff, z. B. Kohlenstofffasern, mit einem Metallnitrid, z. B. Hafniumnitrid, beschichtet. Bevorzugt wird dabei die Kohlenstofffaser zunächst mit einem Metallcarbid, dann einem Metallnitrid beschichtet. Dadurch lassen sich die Vorteile der Stabilisierung des bei hohen Temperaturen betriebenen Leuchtkörpers aus der Gasphase bzw. aus einem inneren Depot kombinieren. Für die äußere Nitridbeschichtung erfolgt die Stabilisierung über den Stickstoff im Füllgas, bzw. über einen Metall-Halogen-Kreisprozess wie oben beschrieben. Auf diese Weise ist eine zumindest teilweise Regeneration der Beschichtung einfacher implementierbar als im Falle einer Carbidbeschichtung, bei der man den Kohlenstoff möglichst in den heißen Bereich des Leuchtkörpers zurücktransportieren muss. Die für eine regenerative Rückführung des Kohlenstoffs geeigneten Reaktionssysteme – z. B. das Kohlenstoff-Fluor System – erfordern zu ihrem Einsatz umfangreiche Zusatzmaßnahmen, z. B. Schutz der Kolbenwand gegen einen Angriff des Fluors. Dies kann bei Gebrauch der Nitridbeschichtung entfallen, weil man auch ohne den Einsatz von Fluor eine zumindest teilweise Regeneration der Schicht erreichen kann. Ist die äußere Nitridbeschichtung schließlich abgedampft, so fungiert der äußere Metall-Carbidmantel als Strahlung emittierende Fläche. Der nach außen abdampfende Kohlenstoff wird – wie in DE-A 10 2004 052044 beschrieben – von innen heraus ersetzt, unter Verwendung eines Transportmittels – z. B. Wasserstoff – zu einem als „Senke” fungierenden Bauteil in der Lampe transportiert. Z. B. kann durch Wasserstoff ein Ausfall des Kohlenstoffs an der Kolbenwand verhindert werden, wobei die sich dabei bildenden Kohlenwasserstoffe am Gestell bzw. den Wendelabgängen unter Ablagerung von Kohlenstoff zersetzen.In a preferred embodiment, substrates of carbon, e.g. As carbon fibers, with a metal nitride, z. As hafnium nitride coated. Preferably, the carbon fiber is first coated with a metal carbide, then a metal nitride. As a result, the advantages of stabilizing the filament operated at high temperatures from the gas phase or from an inner depot can be combined. For the outer nitride coating, the stabilization takes place via the nitrogen in the filling gas, or via a metal-halogen cyclic process as described above. In this way, an at least partial regeneration of the coating is easier to implement than in the case of a carbide coating, in which the carbon must be transported back into the hot region of the luminous body as far as possible. The reaction systems suitable for regenerative recycling of the carbon - e.g. As the carbon-fluorine system - require extensive additional measures to their use, eg. B. Protection of the piston wall against attack by the fluorine. This can be omitted when using the nitride coating, because you can achieve at least partial regeneration of the layer without the use of fluorine. When the outer nitride coating finally evaporates, the outer metal carbide cladding acts as a radiation emitting surface. The evaporating outward carbon is - as in DE-A 10 2004 052044 described - replaced from the inside, using a means of transport - z. As hydrogen - transported to a functioning as a "sink" component in the lamp. For example, a failure of the carbon can be prevented at the piston wall by hydrogen, wherein the forming hydrocarbons decompose on the frame or the Wendelabgängen with deposition of carbon.

Der Vorteil der vorgeschlagenen Bauform liegt in der kombinierten Anwendung der beiden die Lebensdauer verlängernden Merkmale:

  • (a) Stabilisierung der Nitrid-Beschichtung über einen hohen Stickstoff-Partialdruck im Füllgas bzw. einen Metall-Halogen-Kreisprozess mit regenerativer Komponente und
  • (b) Stabilisierung der Carbidbeschichtung aus einem inneren Depot heraus.
The advantage of the proposed design lies in the combined use of the two life-prolonging features:
  • (A) stabilization of the nitride coating via a high nitrogen partial pressure in the filling gas or a metal-halogen cycle process with regenerative component and
  • (b) stabilizing the carbide coating from an inner depot.

Analog lassen sich auch Fasern aus Bornitrid mit Metallnitriden beschichten.Analogous It is also possible to coat boron nitride fibers with metal nitrides.

Für die Beschichtung der Substrate mit Metallen (die dann nitriert werden) bzw. Nitriden kommen alle gängigen Beschichtungsverfahren in Frage, z. B. CVD- und PVD-Verfahren, Bepastung, elektrolytische Abscheidung usw.For the coating of the substrates with metals (which are then nitrated) or nitrides, all common coating methods are suitable. z. As CVD and PVD process, pasting, electrolytic deposition, etc.

Es können auch vollständig aus Metallen wie z. B. Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob oder Titan bestehende Leuchtkörper durch Erhitzen in einer Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre nitriert werden. So können z. B. Glühwendeln aus Zirkoniumnitrid gefertigt werden.It can also be completely made of metals such. B. Zirconium, hafnium, tantalum, niobium or titanium existing luminous bodies by heating in a nitrogen-containing gas atmosphere be nitrided. So z. B. filaments Zirconium nitride are manufactured.

Die durch die beschriebene Vorgehensweise erreichte Verlangsamung der Schicht-Abdampfung kann bei Bedarf dazu genutzt werden, die Temperatur des Leuchtkörpers leicht anzuheben und damit die Effizienz zu erhöhen.The By the procedure described achieved slowdown of Layer evaporation can be used if needed, the temperature of the luminous element and thus increase the efficiency to increase.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich durch den Gebrauch von

  • (1) Betriebsdrücken von deutlich über 1 bar unter Verwendung von Stickstoff enthaltenden Füllgasen und
  • (2) der Verwendung von Halogenzusätzen zum Füllgas,
die Effizienz sowie die Lebensdauer einer Lampe mit Leuchtkörper mit Nitrid-Beschichtung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik deutlich steigern lassen, bzw. eine Abscheidung von Feststoffen an der Kolbenwand vermeiden lässt.In summary, it can be stated that the use of
  • (1) operating pressures well above 1 bar using nitrogen-containing filler gases and
  • (2) the use of halogen additives to fill gas,
can significantly increase the efficiency and the life of a lamp with luminous body with nitride coating over the prior art, and can prevent deposition of solids on the piston wall.

Üblicherweise werden in thermischen Strahlern Edelgase als Inertgase eingesetzt. Je schwerer das Edelgas, desto höher die Effizienz bei gegebener Lebensdauer, weil sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Diffusionskoeffizienten mit zunehmender Masse des Edelgases abnehmen. D. h. je schwerer das Edelgas, desto geringer die Wärmeverluste über das Füllgas; und desto langsamer erfolgt die unerwünschte Abdampfung von Material vom Leuchtkörper. Reiner Stickstoff wird wegen seiner großen Wärmeleitfähigkeit bzw. wegen den in ihm schnell ablaufenden Transportprozessen üblicherweise nicht in Glühlampen bzw. Halogenglühlampen eingesetzt. Stand der Technik ist der Zusatz von Stickstoff zu einem Edelgas, um elektrischen Durchschlag im Lampeninneren zu vermeiden. Da der Stickstoff sich in erwähnter Weise negativ auf die Lampengüte (d. h. die Effizienz bei konstanter Lebensdauer) auswirkt, ist man bestrebt, den Stickstoff-Gehalt möglichst gering zu halten. So ist der Stickstoff-Gehalt in (Halogen-)Glühlampen praktisch immer kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 15%, und besonders bevorzugt kleiner als 10%. In jedem Falle bewirkt eine Erhöhung der Stickstoff-Konzentration eine Erniedrigung der durch die Transportprozesse bestimmten Lampengüte.Usually In inert gas noble gases are used as inert gases. The heavier the noble gas, the higher the efficiency given life, because both the thermal conductivity as well as the diffusion coefficient with increasing mass of the noble gas lose weight. Ie. the heavier the noble gas, the lower the heat losses over it filling gas; and the slower the unwanted occurs Evaporation of material from the lamp. Pure nitrogen is because of its great thermal conductivity or because of the fast in him transport processes usually not used in incandescent or halogen lamps. was standing The technique is the addition of nitrogen to a noble gas to electric To avoid breakdown inside the lamp. As the nitrogen itself negatively affected the lamp quality as mentioned above (i.e. H. Efficiency at a constant lifetime), one strives to keep the nitrogen content as low as possible. So is the nitrogen content in (halogen) incandescent lamps is practical always less than 20%, preferably less than 15%, and especially preferably less than 10%. In each case causes an increase The nitrogen concentration is a decrease in the transport processes certain lamp quality.

Abweichend davon weist der Stickstoff in Lampen mit Leuchtkörper mit Nitrid-Beschichtung eine zusätzliche, die Lampengüte erhöhende Wirkung auf. Je höher der Stickstoff-Partialdruck, umso geringer wird – wie oben beschrieben – die Abdampfung der Nitrid-Beschichtung vom Leuchtkörper. Dies führt dazu, dass sich bei einer Erhöhung der Stickstoff-Konzentration die Lampengüte erhöht. Bei einer Erhöhung der Stickstoff-Konzentration überwiegt also die Verringerung des Gleichgewichtsdrucks über dem Leuchtkörper die Annahme der Effizienz durch erhöhte Wärmeableitung sowie die vergrößerte Diffusions-Geschwindigkeit. Erst bei drastischer Erhöhung des Stickstoff-Anteils nimmt die Lampengüte auf Grund der oben beschriebenen Effekte wieder ab. Während die Lampengüte von Lampen mit Glühkörper aus reinem Wolfram also mit steigendem Stickstoff-Gehalt monoton fällt, weist sie bei Lampen mit Nitrid beschichtetem Leuchtkörper ein Maximum auf.deviant Of these, the nitrogen in lamps with luminous body with Nitride coating an additional, the lamp quality increasing effect. The higher the nitrogen partial pressure, the lower is - as described above - the Evaporation of the nitride coating from the luminous body. this leads to to do that when increasing the nitrogen concentration the lamp quality increased. At an increase Nitrogen concentration thus outweighs the reduction the equilibrium pressure over the lamp the assumption of efficiency through increased heat dissipation as well as the increased diffusion speed. Only with a drastic increase in the nitrogen content decreases the lamp quality due to the effects described above again. While the lamp quality of lamps with Mantle made of pure tungsten so with increasing nitrogen content monotonically falling, it exhibits nitride coated lamps Illuminant to a maximum.

Je schwerer das Edelgas, bei desto geringeren Stickstoff-Gehalten liegt dieses Maximum. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich naturgemäß die die Lampengüte verringernden Eigenschaften des Stickstoffs umso stärker aus wirken, je größer die Güteunterschiede bei Betrieb in reinen Edelgas bzw. in reinem Stickstoff sind.ever heavier the noble gas, the lower the nitrogen contents this maximum. This is due to, that naturally the lamp quality decreasing properties of nitrogen all the more work out, the greater the differences in quality when operating in pure noble gas or in pure nitrogen.

Bei typischen Betriebsdrücken im Bereich zwischen 5 bar und 10 bar liegt für Lampen mit Nitrid, insbesondere HfN beschichtetem Leuchtkörper, der optimale Stickstoff-Gehalt für Lampen mit Xenon als Edelgas zwischen 10% und 40%, für Lampen mit Krypton als Edelgas zwischen 15% und 50%. Die optimalen Stickstoff-Gehalte sind also größer als diejenigen, die Stand heute bei Benutzung von Stickstoff zur Unterdrückung von elektrischem Durchschlag üblich sind.at typical operating pressures in the range between 5 bar and 10 bar is for lamps with nitride, in particular HfN coated Illuminant, the optimal nitrogen content for Lamps with xenon as inert gas between 10% and 40%, for Lamps with krypton as inert gas between 15% and 50%. The optimal Nitrogen levels are thus greater than those the state today when using nitrogen for suppression of electrical breakdown are common.

Wie hoch konkret der Stickstoff-Gehalt innerhalb der angegebenen Bereiche gewählt wird, hängt von weiteren Randbedingungen ab, z. B. dem Anteil der Leistungsverluste über die Wendelenden; dieser bestimmt, wie stark Wärmeverluste über das Füllgas ins Gewicht fallen. Aus Kostengründen ist der Einsatz größerer Stickstoffgehalte ratsam. Muss man die Temperaturen am Kolben bzw. den Kontakten begrenzen, sind Füllgase mit kleineren Stickstoff-Gehalten und damit geringerer Wärmeableitung zu bevorzugen.As high concretely, the nitrogen content within the specified ranges is chosen depends on further boundary conditions off, z. B. the proportion of power losses over the coil ends; this determines how much heat loss over the filling gas fall into the weight. For cost reasons the use of larger nitrogen contents is advisable. Do you have to limit the temperatures at the piston or the contacts, are filling gases with smaller nitrogen contents and thus to prefer lower heat dissipation.

Besonders erfolgversprechend ist die Beschichtung von Wolfram-Wendeln Alternativen sind anstelle von W die Materialien Re, Os, bzw. Legierungen aus Os, Re, W.Especially promising is the coating of tungsten coils alternatives are instead of W, the materials Re, Os, or alloys Os, Re, W.

Eine Alternative als Leuchtkörper sind mit Nitrid beschichtete C-Fasern.A Alternative as filaments are coated with nitride C-fibers.

Die genannten Nitrid-Materialien, mit denen die Wendeln beschichtet werden, sind starke Getter für Sauerstoff. Wie erwähnt führt bereits eine nur geringe Einlagerung von Sauerstoff zu einer Zerstörung der Strahlungsselektivität im Sichtbaren. Eine vollständige Vermeidung einer Oxidation der Nitrid-Beschichtung im Lampenbau gestaltet sich als schwierig. Daher sollte das Füllgas Komponenten enthalten, die die Metalloxide (z. B. HfO2 und ZrO2) reduzieren können. Wasserstoff und Phosphor – wie von Lampen mit Wolfram-Leuchtkörper bekannt – sind hierfür nicht geeignet. Durch Kohlenstoff hingegen ist eine Reduktion der Metalloxide möglich.The nitride materials mentioned, with which the coils are coated, are strong getters for oxygen. As mentioned already leads a ge only Storage of oxygen destroys the radiation selectivity in the visible. A complete avoidance of oxidation of the nitride coating in the lamp construction is difficult. Therefore, the fill gas should contain components that can reduce the metal oxides (eg, HfO 2 and ZrO 2 ). Hydrogen and phosphorus - as known from lamps with tungsten filament - are not suitable for this purpose. By contrast, carbon reduces metal oxides.

Während man für Lampen mit einem Leuchtkörper aus Wolfram meist bestrebt ist, Halogenzusätze mit möglichst geringem Kohlenstoffgehalt zu verwenden (um eine Versprödung der Wendel zu vermeiden), kommen für Lampen mit einem Leuchtkörper aus Nitrid bzw. mit Nitrid-Beschichtung auch Halogenzusätze mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt in Betracht, z. B. halogenierte, ungesättigte aliphatische und aromatische Kohlenstoff Verbindungen wie C2Cl2, C2Br2, C6Cl6.While lamps with a tungsten filament usually tend to use halogen additives with the lowest possible carbon content (to avoid embrittlement of the filament), lamps with a luminous element made of nitride or with nitride coating also have halogen additives with a relatively high content Carbon content into consideration, z. As halogenated, unsaturated aliphatic and aromatic carbon compounds such as C 2 Cl 2 , C 2 Br 2 , C 6 Cl 6 .

Der Zusatz von weiteren Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen, kann zweckmäßig sein. Ziel sollte dabei sein, möglichst wenig zusätzliche störende Elemente in die Lampe einzubringen. Z. B. wird bei Zusatz von Methan (CH4) Wasserstoff in die Lampe eingebracht. Zu viel Wasserstoff in der Lampenatmosphäre wirkt sich jedoch negativ auf den Metall-Halogen-Kreisprozess aus, und führt zu einer Verringerung der Effizienz über die verstärkte Wärmeableitung. Zweckmäßig für eine Entfernung von Sauerstoff-Resten in den Nitriden ist z. B. der Gebrauch von Verbindungen wie Dicyan (CN)2 oder auch Acetonitril CH3CN. Durch Gebrauch dieser Verbindungen wird kein bzw. nur sehr wenig Wasserstoff in die Lampenatmosphäre eingetra gen. Das beim Zerfall dieser Verbindungen freigesetzte Cyan-Radikal reagiert nur bei den hohen Temperaturen des Leuchtkörpers mit dem Sauerstoff aus den Metalloxiden zu CO. Dadurch wird der Kohlenstoff sehr gezielt dort freigesetzt, wo er gebraucht wird. Der beim Zerfall von CN entstehende Stickstoff stört ohnehin nicht.The addition of further carbon-containing compounds may be appropriate. The aim should be to bring as few additional disturbing elements into the lamp. For example, when methane (CH 4 ) is added, hydrogen is introduced into the lamp. However, too much hydrogen in the lamp atmosphere adversely affects the metal-halogen cycle process and results in a reduction in efficiency through increased heat dissipation. It is expedient for a removal of oxygen radicals in the nitrides z. As the use of compounds such as cyanogen (CN) 2 or acetonitrile CH 3 CN. By using these compounds, no or only very little hydrogen is entered into the lamp atmosphere. The cyanogen radical released upon decomposition of these compounds only reacts with the oxygen from the metal oxides to form CO at the high temperatures of the luminous body. As a result, the carbon is very selectively released where it is needed. The nitrogen produced by the decomposition of CN does not bother us anyway.

Zweckmäßig ist die Reduktion der Metalloxide vor dem Abpumpen und Befüllen der Lampe. Dazu wird der zumindest an der Oberfläche Hafnium, Tantal, Zirkonium, Niob oder deren Nitride enthaltende Leuchtkörper in einer Atmosphäre aus einem Edelgas oder Stickstoff, welcher geringe Mengen einer Kohlenstoff enthaltenen Verbindung zugesetzt wurden, auf Temperaturen typischerweise im Bereich zwischen 1000 K und 3000 K (je nach Schmelzpunkt bzw. Dampfdruck des Metalls bzw. der Verbindung) erhitzt. Als Kohlenstoff enthaltende Verbindungen eignen sich etwa Kohlenwasserstoffe wie Methan. Dabei werden die in den Metallen bzw. Metallnitriden eingelagerten Metalloxide zu reduziert, wobei Kohlenmonoxid entsteht. Die dabei in geringem Ausmaß eintretende Carburierung kann akzeptiert werden.expedient is the reduction of metal oxides before pumping and filling the lamp. For this purpose, at least on the surface hafnium, tantalum, Zirconium, niobium or their nitrides containing luminous body in an atmosphere of a noble gas or nitrogen, which small amounts of a carbon-containing compound were added to temperatures typically in the range between 1000 K and 3000 K (depending on the melting point or vapor pressure of the metal or the compound) is heated. Suitable as carbon-containing compounds For example, hydrocarbons such as methane. Here are the in the Metal or metal nitrides embedded metal oxides reduced, whereby carbon monoxide arises. The thereby occurring to a small extent Carburization can be accepted.

Bei niedrigen Temperaturen, wie sie nahe der Quetschkante auftreten, funktioniert die Reduktion der Metalloxide durch Kohlenstoff nicht mehr. Dies stört aber nicht, weil dieser Bereich praktisch keine Strahlung emittiert. Im Gegenteil ist diese Getterwirkung des Metalls nahe der Quetschkante erwünscht, weil so der anderweitig störende Sauerstoff dort gebunden werden kann.at low temperatures, such as occur near the pinch The reduction of metal oxides by carbon does not work more. This does not bother, because this area is convenient no radiation emitted. On the contrary, this getter effect of the metal near the pinch, because so otherwise disturbing oxygen can be bound there.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:in the The invention is based on several embodiments be explained in more detail. The figures show:

1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 an incandescent lamp with carbide filament according to an embodiment;

2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leuchtkörpers für die Glühlampe gemäß 1 im Schnitt; 2 a first embodiment of a filament for the incandescent lamp according to 1 on average;

3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leuchtkörpers für die Glühlampe gemäß 1 im Schnitt; 3 A second embodiment of a filament for the incandescent lamp according to 1 on average;

4 das Verhältnis der Emissivität von HfN und ZrN relativ zu W als Funktion der Wellenlänge; 4 the ratio of the emissivity of HfN and ZrN relative to W as a function of wavelength;

5 den Dampfdruck von Hf als Funktion der Temperatur für verschiedene Füllungen. 5 the vapor pressure of Hf as a function of temperature for different fillings.

Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment the invention

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 als Trägermaterial, 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 Stromzuführungen 6 sind entweder separate Teile aus Mo, W, oder Ta oder sie sind integral als ungewendelte Enden des Leuchtkörpers weitergeführt. 1 shows a bulb squeezed on one side 1 with a quartz glass bulb 2 , a bruise 3 , and internal power supplies 6 , the slides 4 in the bruise 3 with a luminous body 7 connect. The filament is a simple coiled, axially arranged wire of TaC as a carrier material whose uncoiled ends 14 are continued transversely to the lamp axis. The outer leads 5 are outside on the slides 4 stated. The inner diameter of the piston is 5 mm. The power supply lines 6 are either separate parts of Mo, W, or Ta or they are integrally continued as uncoiled ends of the filament.

Die aus ZrN bestehende Glühwendel der schematisch in 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weitgehend einer auf dem Markt erhältlichen Niedervolt-Halogenglühlampe entspricht, ist durch Nitridierung entstanden und weist bei Betrieb an 13 V eine Leistungsaufnahme von ca. 40 W auf, wobei die Farbtemperatur charakteristischerweise um 3500 K liegt.The ZrN existing filament of schematically in 1 The lamp shown, whose basic design corresponds largely to a low-voltage halogen incandescent lamp available on the market, has been produced by nitriding and has a power consumption of approximately 40 W when operated at 13 V, whereby the color temperature is characteristically around 3500 K.

In 2 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtkörpers 7 genauer dargestellt. Im Querschnitt weist er ein Trägermaterial 20 aus W auf, das den Kern bildet. Der typische Durchmesser ist 20 bis 200 μm. Darauf ist eine Schicht 21 aufgebracht, die aus einer Mischung HfN/NbN besteht.In 2 is schematically another embodiment of a filament 7 shown in more detail. In cross-section, it has a carrier material 20 out of W, which forms the core. The typical diameter is 20 to 200 μm. There is a layer on it 21 applied, which consists of a mixture HfN / NbN.

In 3 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtkörpers 7 genauer dargestellt. Im Querschnitt weist er ein Trägermaterial 20 aus Kohlenstofffasern, das den Kern bildet. Der typische Durchmesser ist 80 bis 120 μm. Darauf ist eine erste Schicht 22 aufgebracht, die aus ZrC oder HfC oder einer Mischung daraus besteht, die Dicke ist etwa 3 μm. Darauf ist eine zweite Schicht 23 aus ZrN aufgebracht, deren Dicke etwa 2 μm ist. bevorzugt sollten die Schichtdicken 5 μm pro Schicht nicht überschreiten, da sonst die Gefahr des Abplatzens besteht.In 3 is schematically another embodiment of a filament 7 shown in more detail. In cross-section, it has a carrier material 20 made of carbon fibers, which forms the core. The typical diameter is 80 to 120 μm. On it is a first layer 22 applied, which consists of ZrC or HfC or a mixture thereof, the thickness is about 3 microns. There is a second layer on it 23 made of ZrN whose thickness is about 2 microns. Preferably, the layer thicknesses should not exceed 5 microns per layer, otherwise there is a risk of spalling.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Halogenlampe für den Betrieb an Netzspannung (d. h. 100 V–240 V) in Noppentechnik. Die aus Wolfram bestehende Wendel wurde zunächst mit 2 μm Zirkon beschichtet. Durch Reaktion in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre im Temperaturbereich zwischen 1200°C und 1800°C wird das Zirkonium zu nächst in Zirkoniumnitrid umgewandelt. Direkt am Wendelhalter bzw. an der Quetschkante 15 (siehe 1) sind die Temperaturen für eine Nitrierung zu gering, so dass hier – sofern durch den Quetschprozess nicht entfernt – noch metallisches Zirkonium vorliegt. Dieses wirkt sich über die Lebensdauer vorteilhaft als Getter aus. Die Lampe wird befüllt mit 5 bar Xe/N2 80%/20% so wie einem Halogenzusatz von 500 ppm CH2Br2.A concrete embodiment is a halogen lamp for operation on mains voltage (ie 100 V-240 V) in Noppentechnik. The coil consisting of tungsten was first coated with 2 μm zirconium. By reaction in a nitrogen-containing atmosphere in the temperature range between 1200 ° C and 1800 ° C, the zirconium is first converted to zirconium nitride. Directly at the spiral holder or at the pinch edge 15 (please refer 1 ), the temperatures for nitriding are too low, so that here - if not removed by the crushing process - still present metallic zirconium. This has an advantageous effect over the life as a getter. The lamp is filled with 5 bar Xe / N 2 80% / 20% as well as a halogen additive of 500 ppm CH 2 Br 2 .

Ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Niedervolt-Lampe (NV-Halogenlampe). In einem CVD-Verfahren wurde der aus Wolfram bestehende Leuchtkörper mit Hafniumnitrid beschichtet; die Schichtdicke beträgt 5 μm. Die Lampe wird mit 7 bar Kr/N2 80%/20% + 700 ppm CH2Cl2 befällt. Alternativ wird CCl2BrH verwendet.Another specific embodiment is a low-voltage lamp (NV halogen lamp). In a CVD process, the tungsten filament was coated with hafnium nitride; the layer thickness is 5 μm. The lamp is charged with 7 bar Kr / N2 80% / 20% + 700 ppm CH 2 Cl 2 . Alternatively, CCl2BrH is used.

Analog können die Lampen in Gestelltechnik ausgelegt werden, bzw. die Leuchtkörper aus Nitrid bzw. mit Nitridbeschichtung können in Lampen mit IR reflektierender Beschichtung 16 (siehe 1) auf dem Lampenkolben eingesetzt werden. Gerade bei Verwendung der Leuchtkörper zusammen mit der IRC-Technik ist der Gebrauch eines Halogenzusatzes im Füllgas erforderlich, um eine bei den typischerweise kleinen Kolbendurchmessern eintretende schnelle Kolbenschwärzung zu vermeiden.Analogously, the lamps can be designed in frame technology, or the luminous bodies of nitride or nitride coating can in lamps with IR reflective coating 16 (please refer 1 ) are used on the lamp bulb. Especially when using the luminous elements together with the IRC technique, the use of a halogen additive in the filling gas is required to avoid a rapid piston blackening occurring at the typically small piston diameters.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine mit ZrN (Schichtdicke 4 μm) beschichtete 12 V 50 W Wolframwendel. Die Beschichtung sieht golden aus. Da sich das Zirkoniumnitrid auf einem stabilen Substrat befindet, wird das Problem der Sprödigkeit umgangen. Die Effizienzsteigerung gegenüber einer unbeschichteten Wendel liegt zwischen 10% und 20%.One Another embodiment is one with ZrN (layer thickness 4 μm) coated 12 V 50 W tungsten filament. The coating looks golden. Since the zirconium nitride on a stable Substrate is located, the problem of brittleness is bypassed. The increase in efficiency over an uncoated one Wendel is between 10% and 20%.

Die Wichtigkeit der Halogenzugabe verdeutlicht folgendes Experiment:
Ein Leuchtkörper mit ZrN-Beschichtung (aufgesputtert) wird mit einer Füllung 5 bar Kr/N2 88/12, 700 ppm CH2Br2 bzw. alternativ ohne Halogenzusatz betreiben. Nach 50 Std. ist bei der halogenhaltigen Füllung die Beschichtung intakt, während bei der Füllung ohne Halogenzusatz die Beschichtung weitgehend abgedampft ist. Der Effizienzgewinn mit ZrN-Beschichtung ist etwa 10%.
The importance of halogen addition clarifies the following experiment:
A luminous element with ZrN coating (sputtered) is operated with a filling 5 bar Kr / N 2 88/12, 700 ppm CH 2 Br 2 or alternatively without addition of halogen. After 50 hours, the coating is intact in the case of the halogen-containing filling, while in the filling without halogen addition, the coating has largely evaporated. The efficiency gain with ZrN coating is about 10%.

Die Emissivitäten von HfN und ZrN im Vergleich zu Wolfram zeigt 4. Hier ist erkennbar, dass im Sichtbaren der Strahlungsanteil für die Nitride deutlich höher als für W ist.The emissivities of HfN and ZrN compared to tungsten shows 4 , Here it can be seen that in the visible the radiation fraction for the nitrides is significantly higher than for W.

Durch Gebrauch einer Stickstoff enthaltenden Gasfüllung lässt sich die HfN-Schicht stabilisieren. Ohne N2 würde das HfN bei hohen Temperaturen gemäß der Gleichung HfN → Hf + 1/2N2 zerfallen. Die thermodynamische Berechnung des Hf-Dampfdrucks über HfN bei Verwendung von Xe/N2-Gemischen zeigt 5. Dabei sind mögliche zusätzliche kinetische Faktoren nicht berücksichtigt.By using a nitrogen-containing gas filling, the HfN layer can be stabilized. Without N2, the HfN would be at high temperatures according to the equation HfN → Hf + 1 / 2N 2 disintegrated. The thermodynamic calculation of Hf vapor pressure over HfN using Xe / N 2 mixtures shows 5 , Possible additional kinetic factors are not taken into consideration.

Wie zu erwarten wird die HfN-Schicht umso besser stabilisiert, je höher der Stickstoff-Partialdruck über der HfN Oberfläche ist. Die Dampfdruckkurven für 1 bar 100% N2 und 9 bar Xe/N2 99/10 liegen fast übereinander, weil die Stickstoff-Partialdrücke fast identisch sind (1 bar 100% N2 := 1000 mbar N2, 9 bar Xe/N2 90/10 := 900 mbar N2).As expected, the higher the nitrogen partial pressure over the HfN surface, the better the stabilization of the HfN layer. The vapor pressure curves for 1 bar 100% N 2 and 9 bar Xe / N 2 99/10 are almost on top of each other, because the nitrogen partial pressures are almost identical (1 bar 100% N 2 : = 1000 mbar N 2 , 9 bar Xe / N 2 90 / 10: = 900 mbar N2).

Bekannt sind HfN-beschichtete Wendeln in konventionellen Glühlampen. Demgegenüber bietet die Anwendung von HfN-beschichteten Wendeln in Halogenlampen deutliche Vorteile unter Anwendung eines wesentlich höheren Betriebsdrucks:

  • (1) Höherer Partialdruck der N-Atome bei gleicher Gaszusammensetzung; dies führt zur schnelleren Rückreaktion zu HfN.
  • (2) Viel geringere Abdiffusion des Hf wegen höheren Drucks.
  • (3) Die Verwendung von Xe statt Ar wird wirtschaftlich. Damit ergeben sich viel geringere Abdampfraten in Halogenlampen.
HfN coated coils are known in conventional incandescent lamps. In contrast, the use of HfN-coated coils in halogen lamps offers significant advantages using a much higher operating pressure:
  • (1) Higher partial pressure of the N atoms with the same gas composition; this leads to a faster reversion to HfN.
  • (2) Much lower diffusion of Hf due to higher pressure.
  • (3) The use of Xe instead of Ar becomes economical. This results in much lower evaporation rates in halogen lamps.

Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:

  • 1. Halogenglühlampe, mit einem Leuchtkörper, der in einem Kolben untergebracht ist, wobei im Kolben eine halogenhaltige Füllung untergebracht ist, wobei der Leuchtkörper zumindest an der Oberfläche aus einem Metallnitrid oder einer Legierung von Metallnitriden besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des den Leuchtkörper umgebenden Kolbens höchstens 25 mm beträgt, wobei der Betriebsdruck in der Lampe mindestens 2 bar beträgt und wobei das Füllgas neben Edelgas mindestens 0,1% Stickstoff enthält und wobei das Füllgas mindestens ein Halogen aus der Gruppe Fluor, Chlor, Brom, Jod enthält.
  • 2. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus beschichtetem Substrat besteht, wobei das Substrat ausgewählt ist aus den Materialien W, Ta, Re, Os, C, Bornitrid oder Legierungen dieser Stoffe, und wobei die Beschichtung ausgewählt ist aus den Materialien HfN, ZrN, TaN, TiN, NbN, AlN, Bornitrid oder Legierung dieser Nitride.
  • 3. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper vollständig aus einem Nitrid des Hf, Zr, Ta, Nb, Ti; Al, B bzw. einer Legierung von Nitriden besteht.
  • 4. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Halogen und Wasserstoff enthält, wobei das molare Verhältnis Wasserstoff:Halogen < 5 ist.
  • 5. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Brom und/oder Chor enthält, und dabei im wesentlichen frei von Wasserstoff ist.
  • 6. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich Kohlenstoff neben dem Halogen und ggf. dem Wasserstoff enthält.
  • 7. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Kohlenstoff besteht, der zuerst mit einem Metallcarbid, dann mit einem Metallnitrid beschichtet ist.
  • 8. Halogenglühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einem IR-reflektierenden Material beschichtet ist.
  • 9. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung halogenierte Kohlenwasserstoffe enthält.
  • 10. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des N2 zwischen 5 und 20% beträgt, Randwerte eingeschlossen.
Essential features of the invention in the form of a numbered list are:
  • 1. halogen incandescent lamp, with a luminous body, which is housed in a piston, wherein in the flask, a halogen-containing filling is housed, wherein the luminous body is at least on the surface of a metal nitride or an alloy of metal nitrides, characterized GE indicates that the diameter of the piston surrounding the luminous element is at most 25 mm, the operating pressure in the lamp being at least 2 bar and the filling gas containing at least 0.1% nitrogen in addition to noble gas and the filling gas being at least one halogen from the group consisting of fluorine, Chlorine, bromine, iodine.
  • 2. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous body consists of coated substrate, wherein the substrate is selected from the materials W, Ta, Re, Os, C, boron nitride or alloys of these substances, and wherein the coating is selected from the Materials HfN, ZrN, TaN, TiN, NbN, AlN, boron nitride or alloy of these nitrides.
  • 3. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous body made entirely of a nitride of Hf, Zr, Ta, Nb, Ti; Al, B or an alloy of nitrides.
  • 4. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the halogen-containing additive to the filling gas contains halogen and hydrogen, wherein the molar ratio of hydrogen: halogen <5.
  • 5. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the halogen-containing additive to the filling gas contains bromine and / or chlorine, and is substantially free of hydrogen.
  • 6. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the filling additionally contains carbon in addition to the halogen and optionally the hydrogen.
  • 7. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous body consists of carbon, which is first coated with a metal carbide, then with a metal nitride.
  • 8. Halogen incandescent lamp according to claim 2, characterized in that the piston is coated with an IR-reflecting material.
  • 9. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the filling contains halogenated hydrocarbons.
  • 10. Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the proportion of N2 is between 5 and 20%, including boundary values.

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Claims (10)

Halogenglühlampe, mit einem Leuchtkörper, der in einem Kolben untergebracht ist, wobei im Kolben eine halogenhaltige Füllung untergebracht ist, wobei der Leuchtkörper zumindest an der Oberfläche aus einem Metallnitrid oder einer Legierung von Metallnitriden besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des den Leuchtkörper umgebenden Kolbens höchstens 25 mm beträgt, wobei der Betriebsdruck in der Lampe mindestens 2 bar beträgt und wobei das Füllgas neben Edelgas mindestens 0,1% Stickstoff enthält und wobei das Füllgas mindestens ein Halogen aus der Gruppe Fluor, Chlor, Brom, Jod enthält.Halogen incandescent lamp, with a luminous body, which is accommodated in a piston, wherein in the piston a halogen-containing filling is housed, wherein the luminous body consists at least on the surface of a metal nitride or an alloy of metal nitrides, characterized in that the diameter of the surrounding bulb surrounding the bulb is at most 25 mm, wherein the operating pressure in the lamp is at least 2 bar and wherein the filling gas in addition to inert gas contains at least 0.1% nitrogen and wherein the filling gas contains at least one halogen from the group fluorine, chlorine, bromine, iodine. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus beschichtetem Substrat besteht, wobei das Substrat ausgewählt ist aus den Materialien W, Ta, Re, Os, C, Bornitrid oder Legierungen dieser Stoffe, und wobei die Beschichtung ausgewählt ist aus den Materialien HfN, ZrN, TaN, TiN, NbN, AlN, Bornitrid oder Legierung dieser Nitride.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized the luminous body consists of a coated substrate, wherein the substrate is selected from the materials W, Ta, Re, Os, C, boron nitride or alloys of these substances, and wherein the Coating is selected from the materials HfN, ZrN, TaN, TiN, NbN, AlN, boron nitride or alloy of these nitrides. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper vollständig aus einem Nitrid des Hf, Zr, Ta, Nb, Ti; Al, B bzw. einer Legierung von Nitriden besteht.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized that the filament is completely made of a nitride of Hf, Zr, Ta, Nb, Ti; Al, B or an alloy of nitrides consists. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Halogen und Wasserstoff enthält, wobei das molare Verhältnis Wasserstoff:Halogen < 5 ist.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized that the halogen-containing addition to the filling gas halogen and Contains hydrogen, the molar ratio Hydrogen: halogen <5 is. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Brom und/oder Chor enthält, und dabei im wesentlichen frei von Wasserstoff ist.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized that the halogen-containing addition to the filling gas bromine and / or Contains chorus, while essentially free of hydrogen is. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich Kohlenstoff neben dem Halogen und ggf. dem Wasserstoff enthält.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized that the filling in addition to carbon the halogen and optionally the hydrogen. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Kohlenstoff besteht, der zuerst mit einem Metallcarbid, dann mit einem Metallnitrid beschichtet ist.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized that the filament is made of carbon, the first coated with a metal carbide, then with a metal nitride is. Halogenglühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einem IR-reflektierenden Material beschichtet ist.Halogen incandescent lamp according to claim 2, characterized that the piston is coated with an IR-reflective material is. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung halogenierte Kohlenwasserstoffe enthält.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized that the filling contains halogenated hydrocarbons. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des N2 zwischen 5 und 20% beträgt, Randwerte eingeschlossen.Halogen incandescent lamp according to claim 1, characterized characterized in that the proportion of N2 is between 5 and 20%, Boundary values included.
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