„Lichtquelle und Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle" "Light source and method for manufacturing a light source"
Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle, insbesondere Glühlampe, mit einem Kolben, einem in dem Kolben angeordneten Filament und einer Heizeinrichtung für das Filament, wobei das Filament sowohl sichtbares Licht als auch Wärmestrahlung emittiert. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle der vorgenannten Art.The invention relates to a light source, in particular an incandescent lamp, with a bulb, a filament arranged in the bulb and a heating device for the filament, the filament emitting both visible light and heat radiation. Furthermore, the invention relates to a method for producing a light source of the aforementioned type.
Lichtquellen der in Rede stehenden Art sind seit langem aus der Praxis bekannt und existieren in den unterschiedlichsten Ausführungsformen und Größen. Dabei sind beispielsweise Glühlampen als elektrische Lichtquellen bekannt, bei denen im allgemeinen ein Wolframdraht durch die elektrische Stromwärme auf möglichst hohe Temperatur gebracht wird. Dabei wird Temperaturstrahlung erzeugt. Die Lichtausbeute glühender Drähte steigt mit wachsender Temperatur stark an. Daneben sind auch noch sogenannte nichtthermische Strahlungsquellen wie Entladungsiampen als Edelgas-, Quecksilber-, Natrium- oder Metallhalogen-Entladungslampen in Hochoder Niederdruckausführungen bekannt.Light sources of the type in question have long been known in practice and exist in a wide variety of designs and sizes. Incandescent lamps, for example, are known as electrical light sources in which a tungsten wire is generally brought to the highest possible temperature by the electrical current heat. Thereby, thermal radiation is generated. The luminous efficacy of glowing wires increases sharply with increasing temperature. In addition, so-called non-thermal radiation sources such as discharge lamps are also known as noble gas, mercury, sodium or metal halogen discharge lamps in high or low pressure designs.
Bei allen bisher bekannten elektrisch betriebenen Typen von Lichtquellen ist nachteilig, daß sie sehr ineffizient bezüglich der Konversion von elektrischer Leistung in sichtbare Lichtleistung sind. Die Konversion übersteigt kaum 30%. Der größte Anteil der verbrauchten elektrischen Leistung ist unwirtschaftliche Verlustleistung in Form von vorwiegend Wärme.A disadvantage of all previously known electrically operated types of light sources is that they are very inefficient in converting electrical power into visible light power. The conversion barely exceeds 30%. The largest share of the electrical power consumed is uneconomic power loss in the form of predominantly heat.
Eine Möglichkeit, die Effizienz bekannter Lichtquellen zu erhöhen, besteht dann, daß die vom Filament oder Glühdraht abgestrahlte Wärme von der Innenseite des Kolbens zurück auf das Filament oder den Glühdraht reflektiert wird. Hierdurch erfolgt eine Art Rückheizen des Filaments oder des Glühdrahts. Dies hat zur Folge, daß zum Erreichen derselben Filamenttemperatur weniger elektrische Leistung benötigt wird als bei einem Aufheizen ohne Reflexion. Die sichtbare, durch den Kolben transmittierte Lichtleistung bleibt dabei gleich. Im Idealfall wird nur noch diejenige elektrische Leistung benötigt, die der sichtbaren emittierten Lichtleistung und der vom Kolben absorbierten thermischen Verlustleistung entspricht. Die Konversionseffizienz wird somit um den reflektierten Wärmestrahlungsanteil verbessert. Die Kon-
versionseffizienz könnte somit theoretisch auf bis zu 75% bzw. 140 Lumen/Watt gesteigert werden, wenn man die übliche thermische Verlustleistung von Wolframlampen von ca. 25% zugrunde legt und die Strahlungsabsorption einer Verspiegelung der Innenseite des Kolbens vernachlässigt, wobei beispielsweise dielektrische VerSpiegelungen eine Absorption von typischerweise 0,1 % aufweisen.One way of increasing the efficiency of known light sources is then that the heat radiated from the filament or filament is reflected back from the inside of the bulb onto the filament or filament. This results in a kind of back heating of the filament or filament. As a result, less electrical power is required to reach the same filament temperature than when heating up without reflection. The visible light output transmitted through the bulb remains the same. In the ideal case, only that electrical power is required that corresponds to the visible emitted light power and the thermal power loss absorbed by the bulb. The conversion efficiency is thus improved by the reflected heat radiation component. The con- Version efficiency could thus theoretically be increased to up to 75% or 140 lumens / watt, if one takes the usual thermal power loss of tungsten lamps of approx. 25% as a basis and neglects the radiation absorption of a mirror coating on the inside of the bulb, whereby dielectric mirroring, for example, absorption of typically 0.1%.
Bei einer Verspiegelung der Innenseite des Kolbens mit einem Refiexionsvermögen von zum Beispiel 99,9% wird statistisch jedes tausendste Photon im Material der Verspiegelung absorbiert. Bei der Reflexion der Strahlung in den Kolben darf der Photonenfluß deshalb lediglich 1000 Reflexionen an der Innenseite des Kolbens erfahren bis er vollständig im Kolben absorbiert wird.If the inside of the bulb is mirrored with a reflectivity of, for example, 99.9%, every thousandth photon is statistically absorbed in the material of the mirror. When the radiation is reflected in the flask, the photon flow may therefore only experience 1000 reflections on the inside of the flask until it is completely absorbed in the flask.
Bei den bekannten Filamenten ist problematisch, daß die beispielsweise bekannte Wendelform der Filamente bzw. Glühdrähte nur eine sehr geringe Absorption der reflektierten Wärmestrahlung zuläßt, da der größte Teil der Wärmestrahlung an dem dünnen Wendeldraht vorbei reflektiert wird. Eine effektive Absorption bzw. Rückheizung ist somit bei den herkömmlichen Filamenten bzw. Glühdrähten nicht möglich. Daher ist eine hohe Konversionseffizienz bei herkömmlichen Lichtquellen nicht realisierbar.In the known filaments it is problematic that the known helical shape of the filaments or filaments, for example, allows only a very low absorption of the reflected heat radiation, since the majority of the heat radiation is reflected past the thin spiral wire. Effective absorption or reheating is therefore not possible with conventional filaments or filament wires. Therefore, high conversion efficiency cannot be achieved with conventional light sources.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lichtquelle der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtquelle anzugeben, wonach eine hohe Konversionseffizienz mit einfachen Mitteln erreicht ist.The present invention is therefore based on the object of specifying a light source of the type mentioned at the outset and a method for producing such a light source, according to which high conversion efficiency is achieved with simple means.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist einerseits durch eine Lichtquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Lichtquelle derart ausgebildet, daß das Filament einen flächigen Abschnitt aufweist.The task outlined above is achieved on the one hand by a light source with the features of patent claim 1. The light source is then designed such that the filament has a flat section.
In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß der Photonenfluß auf dem Reflexionsweg das Filament bzw. den Glühdraht trifft und dort absorbiert wird, proportional zum Verhältnis des Filamentvolumens bzw. der Filamentoberfläche zum reflektierenden Kolbenvolumen bzw. zur reflektierenden Kolbenoberfläche ist. Zum Erreichen einer möglichst hohen Rüchheizung des Fila-
ments ist es daher vorteilhaft, wenn eine große Filamentfläche vorliegt, so daß der Photonenfluß nach möglichst wenigen Reflexionen an der Innenseite des Kolbens auf das Filament trifft und dort absorbiert wird.In the manner according to the invention, it has been recognized that the probability that the photon flow hits the filament or the filament on the reflection path and is absorbed there is proportional to the ratio of the filament volume or the filament surface to the reflecting piston volume or to the reflecting piston surface. To achieve the highest possible heating of the fila It is therefore advantageous if there is a large filament area so that the photon flux hits the filament after as few reflections as possible on the inside of the bulb and is absorbed there.
Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Lichtquelle eine Lichtquelle angegeben, bei der eine hohe Konversionseffizienz mit einfachen Mitteln erreicht ist.Consequently, the light source according to the invention specifies a light source in which high conversion efficiency is achieved using simple means.
Zur Optimierung des Reflexionsverhaltens der Innenseite des für sichtbares Licht transparenten Kolbens könnte der Kolben an seiner Innenseite eine Verspiegelung aufweisen. Hierbei könnte es sich in besonders günstiger Weise um eine dielektrische Mehrschichtbeschichtung handeln. Dabei liegt eine spektral selektive Verspiegelung vor, die im wesentlichen den Wärmestrahlungsanteil reflektiert und den Anteil an sichtbarer Strahlung transmittiert.In order to optimize the reflection behavior of the inside of the bulb, which is transparent to visible light, the bulb could have a reflective coating on its inside. This could be a dielectric multilayer coating in a particularly favorable manner. A spectrally selective mirroring is present, which essentially reflects the heat radiation component and transmits the component of visible radiation.
Bei einer vergrößerten Filamentfläche könnte sich der Nachteil ergeben, daß der elektrische Widerstand des Filaments geringer wird, da sich der für den elektrischen Strom maßgebliche Leiterquerschnitt vergrößert. Dies hat zur Folge, daß zum Erreichen der für die Lichtemission erforderlichen Filamenttemperatur ein erheblich höherer Strom im Filament erforderlich ist als bei üblicher Filamentfläche bzw. üblichem Filamentquerschnitt. Dies kann zu Sicherheitsproblemen für den Benutzer der Lichtquelle führen. Zusammenfassend liegt hierbei eine Zwickmühle hinsichtlich einer möglichst großen Filamentfläche und der hierfür erforderlichen und nachteiligen hohen Ströme vor. Des weiteren könnte bei einem größerflächigen Filament nachteilig sein, daß es insbesondere bei starker Erwärmung mechanisch instabil ist und aufgrund der Schwerkraftwirkung deformiert wird. Im Extremfall könnte das Filament mit der Innenseite des Kolbens in Kontakt gelangen und/oder funktionsuntüchtig werden.With an enlarged filament area, there could be the disadvantage that the electrical resistance of the filament becomes lower since the conductor cross-section, which is decisive for the electrical current, increases. The result of this is that a considerably higher current in the filament is required to achieve the filament temperature required for the light emission than in the case of a conventional filament surface or filament cross-section. This can lead to safety problems for the user of the light source. In summary, there is a dilemma with regard to the largest possible filament area and the necessary and disadvantageous high currents. Furthermore, it could be disadvantageous in the case of a large-area filament that it is mechanically unstable, particularly when subjected to excessive heating, and is deformed due to the action of gravity. In extreme cases, the filament could come into contact with the inside of the piston and / or become inoperable.
Zur Lösung der obigen Problematik könnte das Filament zumindest teilweise aus einem gesinterten Metallpulver aufgebaut sein. Ein derart gesintertes Material könnte man sich als porösen Schwamm vorstellen, bei dem die Pulverelemente bzw. Körner des Ausgangsmetalls meist nur punktförmige Schweißkontakte zueinander aufweisen. Dadurch entsteht ein äußerst geringer effektiver elektrisch leitender Querschnitt und eine erhöhte effektive Leiterlänge. Des weiteren weist das gesinterte Material eine hohe mechanische Stabilität auf. Daher ist durch die Verwendung des gesinter-
ten Metallpulvers einerseits ein erhöhter elektrischer Widerstand und andererseits eine erhöhte mechanische Festigkeit bereitgestellt. Dies begünstigt den Einsatz großflächiger Filamente.To solve the above problem, the filament could at least partially be made of a sintered metal powder. Such a sintered material could be thought of as a porous sponge, in which the powder elements or grains of the starting metal usually only have point-like welding contacts with one another. This creates an extremely low effective electrically conductive cross section and an increased effective conductor length. Furthermore, the sintered material has high mechanical stability. Therefore, by using the sintered Metal powder on the one hand provides increased electrical resistance and on the other hand provides increased mechanical strength. This favors the use of large-area filaments.
Das Filament oder das Metallpulver könnte Wolfram und/oder Tantal und/oder Rhenium und/oder Niob und/oder Zirkonium aufweisen, wobei sich Tantal in der Praxis als besonders günstig gezeigt hat. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte das Filament zumindest teilweise aus einem Nichtmetall aufgebaut sein. Auch hierdurch ist eine Erhöhung des elektrischen Widerstands erreichbar.The filament or the metal powder could have tungsten and / or tantalum and / or rhenium and / or niobium and / or zirconium, with tantalum having proven particularly advantageous in practice. Alternatively or in addition to this, the filament could at least partially be constructed from a non-metal. This also makes it possible to increase the electrical resistance.
Zur weiteren Steigerung der mechanischen Stabilität des Filaments allgemein oder eines Filaments aus einem gesinterten Metallpulver könnte das Filament zumindest teilweise aus Tantalkarbid und/oder Rheniumkarbid und/oder Niobkarbid und/oder Zirkonkarbid aufgebaut sein. Im konkreten könnte eines oder mehrere der zuletzt genannten Karbide als Beschichtungsmaterial für ein Filament aus gesintertem Metallpulver dienen. Ganz allgemein könnte das Filament mit einen Beschichtungsmaterial beschichtet sein, das einen höheren Schmelzpunkt als das Filament-Material aufweist. Durch eine wie oben beschriebene Beschichtung des Filaments könnten Oberflächeπtemperaturen beim Betrieb erreicht werden, die höher liegen als dies für bekannte Wolfram-Filamentlampen üblich ist.To further increase the mechanical stability of the filament in general or of a filament made of a sintered metal powder, the filament could be at least partially composed of tantalum carbide and / or rhenium carbide and / or niobium carbide and / or zirconium carbide. Specifically, one or more of the latter carbides could serve as a coating material for a filament made of sintered metal powder. In general, the filament could be coated with a coating material that has a higher melting point than the filament material. By coating the filament as described above, surface temperatures could be reached during operation that are higher than is customary for known tungsten filament lamps.
Im konkreten könnte das Filament aus einem gesinterten Tantalgrundkörper aufgebaut sein, der eine äußere Schicht aus Tantalkarbid aufweist. Tantalkarbid ist ein extrem temperaturfester Hartwerkstoff, der wegen der Vernetzung in der porösen schwammartigen Topologie des Sintermaterials gerüstartig eine hohe mechanische bzw. statische Festigkeit des Materials erzeugt. Das Filamentmaterial ist daher erwartungsgemäß extrem hochohmig und ausreichend fest, um ein Fließverhalten des im Betrieb heißen Filaments zu vermeiden.Specifically, the filament could be constructed from a sintered tantalum base body that has an outer layer of tantalum carbide. Tantalum carbide is an extremely temperature-resistant hard material that, due to the cross-linking in the porous sponge-like topology of the sintered material, creates a high mechanical or static strength of the material. As expected, the filament material is therefore extremely high-impedance and sufficiently strong to prevent the filament, which is hot during operation, from flowing.
In konstruktiv besonders günstiger Weise könnte der flächige Abschnitt als Band mit zwei Längsseiten ausgebildet sein. Des weiteren könnten an den beiden Längsseiten jeweils zwei Flächenelemente flügelartig von dem Band abragen. Die insgesamt vier Flächenelemente könnten dann jeweils in einem Winkel von etwa 90 Grad von dem Band abragen. Mit anderen Worten könnte der flächige Abschnitt in Form von zwei
U-Profiien vorliegen, wobei die beiden U-Profile an jeweils einem Ende miteinander gekoppelt sind und nahezu Rücken an Rücken aneinander liegen. An den entgegengesetzten Enden der U-Profile ist die elektrische Kontaktierung des Filaments vorgesehen. Mit einem derartigen flächigen Abschnitt weist das Filament ein sehr günstiges Absorptionsverhalten für Wärmestrahlung auf.In a structurally particularly advantageous manner, the flat section could be designed as a band with two long sides. Furthermore, two surface elements could protrude from the belt in the manner of wings on the two long sides. The total of four surface elements could then protrude from the belt at an angle of approximately 90 degrees. In other words, the flat section could be in the form of two U-profiles are available, with the two U-profiles coupled to each other at one end and lying almost back to back. The electrical contacting of the filament is provided at the opposite ends of the U-profiles. With such a flat section, the filament has a very favorable absorption behavior for heat radiation.
Alternativ zu der obigen Ausgestaltung könnte der flächige Abschnitt schalenförmig oder zylindermantelförmig ausgebildet sein. Dabei ist eine Ausgestaltung als vollständiger Zylindermantel oder auch als Teil eines Zylindermantels, insbesondere als Zylindermantelhäfte, denkbar. Im Falle eines im wesentlichen vollständigen Zylindermantels könnte ein derartiger Zylindermantel auch an der Seite offen oder längs geschlitzt ausgebildet sein. Dies ist im Hinblick auf das thermische Ausdehnungsverhalten des Filaments günstig.As an alternative to the above configuration, the flat section could be designed in the form of a shell or a cylinder jacket. An embodiment as a complete cylinder jacket or as part of a cylinder jacket, in particular as a cylinder jacket half, is conceivable. In the case of an essentially complete cylinder jacket, such a cylinder jacket could also be open on the side or slotted lengthways. This is favorable with regard to the thermal expansion behavior of the filament.
Zur Gewährleistung einer besonders effektiven Absorption von von der Innenseite des Kolbens reflektierter Wärmestrahlung könnte der Durchmesser des Zylindermantels oder des Zylindermantelteils oder der Zylindermantelhälfte nur geringfügig kleiner als der Durchmesser des Kolbens sein. Der Kolben könnte dabei röhrenförmig sein. Insbesondere in diesem Fall könnte das Filament konzentrisch in dem Kolben und/oder koaxial zu einer Längsachse des Kolbens in dem Kolben angeordnet sein.In order to ensure a particularly effective absorption of heat radiation reflected from the inside of the piston, the diameter of the cylinder jacket or the cylinder jacket part or the cylinder jacket half could only be slightly smaller than the diameter of the piston. The piston could be tubular. In this case in particular, the filament could be arranged concentrically in the piston and / or coaxially to a longitudinal axis of the piston in the piston.
Je nach Ausgestaltung des Filaments könnte das Filament den Innenraum des Kolbens in einen oder mehrere Halb- oder Teilräume aufteilen.Depending on the design of the filament, the filament could divide the interior of the piston into one or more half or partial spaces.
Der Kolben könnte eine derart große Außenoberfläche aufweisen, daß Oberflächenwärme, die durch beispielsweise Wärmestrahlungsabsoption erzeugt wird, durch Konvektionskühlung oder eine andere Zwangskühlung abgeführt werden kann. Die Größe und Form des Filaments und des Kolbens könnten entsprechend aufeinander abgestimmt sein.The piston could have such a large outer surface that surface heat generated by, for example, heat radiation absorption can be dissipated by convection cooling or another forced cooling. The size and shape of the filament and the piston could be coordinated accordingly.
Durch die große mögliche Oberfläche des Filaments können Lichtquellen mit großen Lichtleistungen gebaut werden. Auch kann die Farbtemperatur der Lichtquelle unabhängig von der Oberflächentemperatur des Filaments oder des Glühelements einge-
stellt werden. Dies kann durch die spektral selektive Verspiegelung erfolgen, die die transmittierte Spektralverteilung der aus dem Kolben emittierten Strahlungsleistung und damit die Farbtemperatur vorgeben kann.Due to the large possible surface area of the filament, light sources with large light outputs can be built. The color temperature of the light source can also be set independently of the surface temperature of the filament or the glow element. be put. This can be done by the spectrally selective mirroring, which can specify the transmitted spectral distribution of the radiation power emitted from the bulb and thus the color temperature.
Die Oberflächentemperatur des Filaments kann im Vergleich zu herkömmlichen Filamenten geringer eingestellt werden, da der vergleichbare sichtbare Lichtstrom durch eine größere und kältere Oberfläche des Filaments erzeugt werden kann. Die Filamentoberfläche bildet dabei einen neuen zusätzlichen konstruktiven Freiheitsgrad.The surface temperature of the filament can be set lower in comparison to conventional filaments, since the comparable visible luminous flux can be generated by a larger and colder surface of the filament. The filament surface forms a new, additional degree of freedom.
Obwohl das Filament auf relativ niedriger Temperatur betrieben werden kann und damit auch eine relativ geringe Verdampfung des Filamentmaterials erreicht ist, kann eine störende Verdampfung aufgrund der sehr großen Oberfläche, die im Hinblick auf eine effektive Absorption möglichst nahe an der Kolbeninnenseite liegt, auftreten. Durch verdampftes und an der Kolbeninnenseite niedergeschlagenes Filamentmaterial wird die Refiektivität der Innenseite des Kolbens oder der Verspiegelung an der Innenseite des Kolbens herabgesetzt und die Absorption des Kolbens oder der Verspiegelung bzw. die thermische Verlustleistung erhöht. Daher ist es wünschenswert, die Verdampfung des Filamentmaterials weitestgehend zu minimieren.Although the filament can be operated at a relatively low temperature and thus a relatively low evaporation of the filament material is achieved, disruptive evaporation can occur due to the very large surface area, which is as close as possible to the inside of the piston with regard to effective absorption. Evaporated filament material deposited on the inside of the piston reduces the reflectivity of the inside of the piston or the mirror coating on the inside of the piston and increases the absorption of the piston or the mirror coating or the thermal power loss. It is therefore desirable to minimize evaporation of the filament material as much as possible.
Zur Minimierung der Verdampfung des Filamentmateials könnte im Kolben ein Edelgas und/oder ein Halogengas vorliegen, wobei das Halogengas Brom und/oder lod aufweisen könnte. Hierdurch könnte bei einem Wolfram-Filament ein üblicher Wolf- ramiodidkreislauf erzeugt werden.In order to minimize the evaporation of the filament material, an inert gas and / or a halogen gas could be present in the flask, wherein the halogen gas could contain bromine and / or iodine. This could create a conventional tungsten iodide cycle for a tungsten filament.
Eine alternative Lösung der Verdampfungsproblematik könnte durch die Beschichtung des Filaments mit einem Beschichtungsmatrial erfolgen, das einen höheren Schmelzpunkt als das Filament-Material aufweist. Dies liegt an der Abhängigkeit des temperaturabhängigen Dampfdrucks eines Festkörpers von seinem Schmelzpunkt. Des weiteren könnte der Niederschlag des Beschichtungsmaterials eine geringere Absorptivität zeigen als der Niederschlag des üblichen Filament-Materials. Als Beschichtungsmaterial mit sehr hohem Schmelzpunkt könnte beispielsweise Tantalkarbid und/oder Rheniumkarbid und/oder Niobkarbid und/oder Zirkonkarbid verwendet werden.
Durch die konstruktiv bedingte große Filamentfläche können sehr große Lichtströme erzeugt und von der Lichtquelle emittiert werden, so daß die Beleuchtung von großen Gebäudeinnenräumen oder von Außenarealen mit nur einer erfindungsgemäßen Lichtquelle möglich ist.An alternative solution to the evaporation problem could be provided by coating the filament with a coating material that has a higher melting point than the filament material. This is due to the dependence of the temperature-dependent vapor pressure of a solid on its melting point. Furthermore, the precipitation of the coating material could show a lower absorptivity than the precipitation of the usual filament material. For example, tantalum carbide and / or rhenium carbide and / or niobium carbide and / or zirconium carbide could be used as the coating material with a very high melting point. Due to the large filament surface area, very large luminous fluxes can be generated and emitted by the light source, so that the illumination of large building interiors or of outside areas is possible with only one light source according to the invention.
Die oben aufgezeigte Aufgabe ist des weiteren durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21 gelöst. Danach wird zunächst ein Filament aus gesintertem Metallpulver bereitgestellt. Durch die Versinterung des Metallpulvers kann die Leitfähigkeit des Sintermaterials mittels der Ausgangskorngröße und der Verdichtung des Pulvers und der Versinterungstemperatur gesteuert werden. Hierdurch läßt sich ein entsprechend hochohmiges und mechanisch stabiles Material herstellen. Dies ermöglicht die Verwendung von Fiiamenten mit großen flächigen Abschnitten, ohne daß der für den elektrischen Widerstand bedeutsame Leiterquerschnitt zu einem zu geringen Widerstand führt und ohne daß mechanische Instabilitäten aufgrund der Großflächigkeit und unter Einwirkung der Schwerkraft auftreten. Selbst bei hohen Betriebstemperaturen findet kein Durchhängen oder Fließen des Filamentmaterials statt.The object shown above is further achieved by a method for producing a light source of the type mentioned at the outset with the features of patent claim 21. After that, a filament made of sintered metal powder is first provided. By sintering the metal powder, the conductivity of the sintered material can be controlled by means of the starting grain size and the compression of the powder and the sintering temperature. In this way, a correspondingly high-resistance and mechanically stable material can be produced. This enables the use of filaments with large flat sections without the conductor cross-section, which is important for the electrical resistance, leading to an insufficient resistance and without mechanical instabilities due to the large area and under the influence of gravity. Even at high operating temperatures, the filament material does not sag or flow.
Die poröse, schwammartige Topologie des gesinterten Filaments wird ausgenutzt, um eine hohe mechanische Stabilität des Materials zu erzeugen, indem das Filament einer Kohlendioxid- oder Kohlendioxid-Edelgas-Atmosphäre zur Bildung eines Metallkarbids ausgesetzt wird. Mit anderen Worten wird durch das Aussetzen des Filaments einer entsprechenden Gasatmosphäre eine Metallkarbidschicht an der Außenseite des Filaments erzeugt. Je nach Schichtdicke bzw. Eindringtiefe der Metallkarbidreaktion wird der effektive elektrische Widerstand weiter herabgesetzt. Bei Prozeßtemperaturen größer als 1000 Grad Celsius setzt die Karbidbildung ein und bei Prozeßtemperaturen größer als 1400 Grad Celsius erfolgt nach einer bestimmten Prozeßdauer die vollständige Karburation.The porous, sponge-like topology of the sintered filament is used to create a high mechanical stability of the material by exposing the filament to a carbon dioxide or carbon dioxide noble gas atmosphere to form a metal carbide. In other words, exposing the filament to a corresponding gas atmosphere creates a metal carbide layer on the outside of the filament. The effective electrical resistance is further reduced depending on the layer thickness or penetration depth of the metal carbide reaction. At process temperatures greater than 1000 degrees Celsius, carbide formation begins and at process temperatures greater than 1400 degrees Celsius, the complete carburization takes place after a certain process time.
Das Metallkarbid ist ein extrem temperaturfester Hartwerkstoff, der wegen der Vernetzung in der porösen schwammartigen Topologie des Filamentmaterials gerüstartig eine mechanische bzw. statische Festigkeit des Filaments erzeugt. Das Fila-
mentmatenal ist daher erwartungsgemäß extrem hochohmig und ausreichend fest, um ein Fließverhalten des im Betrieb heißen Filaments zu vermeidenThe metal carbide is an extremely temperature-resistant hard material that, due to the cross-linking in the porous spongy topology of the filament material, creates a mechanical or static strength of the filament. The fila As expected, mentmatenal is extremely high-impedance and sufficiently strong to avoid the flow behavior of the filament that is hot during operation
Wenn die Metallkarbidschichtbildung eine ausreichende Festigkeit erzeugt hat, kann die Prozeßtemperatur und spater auch die Betriebstemperatur des Metallkarbid-Me- tallfilaments über den Schmelzpunkt des Metalls erhöht werden Das Metallkarbid bildet einen festen Mantel um die flussige Metallseele Mögliche Spannungsbruche im Metallkarbidmantel aufgrund beispielsweise unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten werden durch an den Brüchen austretendes flussiges Metall bzw durch die dann dort sofort einsetzende Metallkarbidbildung repariertIf the metal carbide layer formation has generated sufficient strength, the process temperature and later also the operating temperature of the metal carbide metal filament can be raised above the melting point of the metal. The metal carbide forms a solid sheath around the liquid metal core liquid metal escaping at the fractures or repaired by the metal carbide formation which immediately begins there
Zum Abschluß des Herstellungsverfahrens wird das Filament im Kolben eingeschlossen und eine Lichtquelle mit hoher Konversionseffizienz ist bereitgestelltAt the end of the manufacturing process, the filament is enclosed in the bulb and a light source with high conversion efficiency is provided
Durch ein Walzen des Filaments nach seiner Bereitstellung zu einer Folie kann ein zusätzlicher Verdichtungsschritt im Verfahren durchgeführt werden, wodurch die Leitfähigkeit ebenfalls beeinflußt wird.By rolling the filament after it has been provided to form a film, an additional compression step can be carried out in the process, which also affects the conductivity.
Im Hinblick auf eine besonders sichere Herstellung des Filaments konnte das Filament nach seiner Bereitstellung in einen an zwei Enden offenen Kolben eingebracht werden und an einem Ende des Kolbens elektrisch kontaktiert werden Hierdurch wäre das Filament nach seiner Bereitstellung und gegebenenfalls Walzung bereits im Kolben geschützt bereitgestellt Dies bietet einen mechanischen Schutz wahrend weiterer VerfahrensschritteWith a view to a particularly safe production of the filament, the filament could be introduced into a piston open at two ends after its provision and electrically contacted at one end of the piston. As a result, the filament would already be provided protected in the piston after its provision and possibly rolling mechanical protection during further process steps
Nach dem Einbringen des Filaments in den Kolben konnte das eine Ende verschlossen werden Dabei konnten übliche elektrische Anschlüsse aus gegebenenfalls Wolframdraht und/oder Molybdanstreifen an dem Filament angebracht werden und mit dem Ende verschmolzen bzw verpreßt werden Der Kolben konnte durch ein Quarz- rohrchen gebildet seinAfter the filament had been introduced into the flask, one end could be closed. Conventional electrical connections, possibly made of tungsten wire and / or molybdenum strips, could be attached to the filament and fused or pressed with the end. The flask could be formed by a quartz tube
Das Aussetzen des Filaments einer Kohlendioxid- oder Kohlendioxid-Edelgas-Atmo- sphare konnte nunmehr in besonders einfacher Weise durch Einstromen eines Kohlendioxid- oder Kohlendioxid-Edelgas-Gases durch das andere Ende des Kolbens in
den Kolben erfolgen. Des weiteren könnte das Filament vor und/oder während der Metallkarbidbildung elektrisch aufgeheizt werden. Hierdurch könnte die Metallkarbidbildung gegebenenfalls bis zu ihrem Abschluß gesteuert werden. Insbesondere könnte die Metallkarbidbildung anhand der Widerstands-Charakteristik des Filaments gesteuert werden. Hierzu könnten der Heizstrom und die Heizspannung über die elektrische Kontaktierung des Filaments gemessen und entsprechend zur Steuerung ausgewertet werden. Mit anderen Worten könnte die Metallkarbidbildung über die elektrische Spannungs-Strom-Charakteristik bzw. über die elektrische Widerstands- Charakteristik direkt monitorisiert und daher gesteuert werden.Exposure of the filament to a carbon dioxide or carbon dioxide noble gas atmosphere could now be carried out in a particularly simple manner by flowing a carbon dioxide or carbon dioxide noble gas gas through the other end of the piston in the pistons. Furthermore, the filament could be electrically heated before and / or during metal carbide formation. In this way, the metal carbide formation could possibly be controlled until its completion. In particular, the metal carbide formation could be controlled based on the resistance characteristics of the filament. For this purpose, the heating current and the heating voltage could be measured via the electrical contacting of the filament and evaluated accordingly for the control. In other words, the metal carbide formation could be directly monitored via the electrical voltage-current characteristic or via the electrical resistance characteristic and therefore controlled.
Andere Herstellungsverfahren, bei denen die Metallkarbid-Metallfilamente bei der Metallkarbidumsetzung nicht direkt elektrisch geheizt werden und außerhalb der Kolben hergestellt werden, haben den Nachteil, daß die Metallkarbidbildung bzw. der zu erreichende elektrische Widerstand der Filamente nicht direkt eingestellt werden kann und daß die Metallkarbid-Metallfilamente außerhalb der Kolben sehr zerbrechlich sein können.Other production processes in which the metal carbide metal filaments are not directly electrically heated during the metal carbide conversion and are produced outside the pistons have the disadvantage that the metal carbide formation or the electrical resistance of the filaments to be achieved cannot be adjusted directly and that the metal carbide Metal filaments outside the pistons can be very fragile.
Als Metallpulver könnte Wolfram und/oder Rhenium und/oder Niob und/oder Zirkonium und/oder insbesondere Tantal verwendet werden. Bei der Verwendung von Tantal könnte die extrem gute Verformbarkeit des Tantals ausgenutzt werden. Da Tantalkarbid eine sehr hohe Schmelztemperatur aufweist, ist bei den üblichen Lichtquellenbetriebstemperaturen eine extrem niedrige Verdampfungsgeschwindigkeit des Tantalkarbids und ein sehr geringer Kolbenbeschlag zu erwarten. Tantalkarbid ist des weiteren im sichtbaren Spektrum schwarz, weshalb eine hohe spektrale Emissivität des Tantalkarbids vorliegt. Insbesondere zeigt die poröse Tantalkarbidoberfläche eine erhöhte Schwärze im Sinne der Planckschen Schwarzkörperstrahlung gegenüber nicht porösen Oberflächen.Tungsten and / or rhenium and / or niobium and / or zirconium and / or in particular tantalum could be used as the metal powder. When using tantalum, the extremely good ductility of tantalum could be exploited. Since tantalum carbide has a very high melting temperature, an extremely low evaporation rate of the tantalum carbide and a very low piston fogging can be expected at the usual light source operating temperatures. Tantalum carbide is also black in the visible spectrum, which is why there is a high spectral emissivity of the tantalum carbide. In particular, the porous tantalum carbide surface shows an increased blackness in the sense of Planck's blackbody radiation compared to non-porous surfaces.
Der weitere Vorteil eines Tantalkarbid-Tantalfilaments liegt in seiner im Vergleich zu Wolframfilamenten nur ungefähr halb so großen Wärmeleitfähigkeit. Zusammen mit der großen reabsorbierenden Fläche des Tantalkarbid-Tantalfilaments bzw. der weniger oft an den Innenseiten des Kolbens reflektierten und dadurch dort weniger absorbierten Infrarotstrahlung und der vergleichbar geringen Wärmeleitfähigkeit, wird eine wesentlich geringere thermische Verlustleistung erreicht. Das Tantalkarbid-
Tantalfilament könnte auf die maximal mögliche Betriebstemperatur von Wolframfi- lamenten geheizt werden.The further advantage of a tantalum carbide tantalum filament lies in its thermal conductivity, which is only about half that of tungsten filaments. Together with the large reabsorbing surface of the tantalum carbide tantalum filament or the infrared radiation that is less often reflected on the inside of the bulb and therefore less absorbed there, and the comparably low thermal conductivity, a significantly lower thermal power loss is achieved. The tantalum carbide Tantalum filament could be heated to the maximum possible operating temperature of tungsten filaments.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 sowie Patentanspruch 21 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Lichtquelle anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Lichtquelle anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigenThere are now various possibilities for advantageously designing and developing the teaching of the present invention. For this purpose, on the one hand, reference is made to the claims subordinate to claim 1 and claim 21, and on the other hand to the following explanation of a preferred embodiment of a light source with reference to the drawing. In conjunction with the explanation of the preferred exemplary embodiment of a light source with reference to the drawing, preferred configurations and developments of the teaching are also explained in general. Show in the drawing
Fig. 1 in einer perspektivischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle,1 is a perspective side view of the embodiment of a light source according to the invention,
Fig. 2 in einer perspektivischen Seitenansicht - zur Ansicht aus Fig. 1 um 902 in a perspective side view - to the view from FIG. 1 by 90
Grad versetzt - das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 undDegree offset - the embodiment of Fig. 1 and
Fig. 3 in einer Draufsicht das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1.3 shows a top view of the exemplary embodiment from FIG. 1.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle. Die Lichtquelle ist als Glühlampe ausgebildet, die einen Kolben 1 aufweist, in dem ein Filament 2 bzw. ein Glühelement angeordnet ist. Zum Aufheizen des Filaments 2 ist eine Heizeinrichtung 3 vorgesehen, die einen elektrischen Strom bereitstellt. Das aufgeheizte Filament 2 emittiert sowohl sichtbares Licht als auch Wärmestrahlung.Fig. 1 shows a perspective side view of the embodiment of a light source according to the invention. The light source is designed as an incandescent lamp which has a bulb 1 in which a filament 2 or a glow element is arranged. For heating the filament 2, a heating device 3 is provided, which provides an electric current. The heated filament 2 emits both visible light and heat radiation.
Im Hinblick auf eine hohe Konversionseffizienz der Lichtquelle weist das Filament 2 einen flächigen Abschnitt 4 auf. Der flächige Abschnitt 4 ermöglicht ein hohes Maß an Absorption der von der Innenseite des Kolbens 1 reflektierten und ursprünglich vom Filament 2 abgestrahlten Wärmestrahlung. Hierdurch wird das Filament 2 quasi rückgeheizt. Dadurch ist es möglich, zum Erreichen derselben Lichtleistung der Lichtquelle weniger Energie zur Lichtquelle zuzuführen, als dies bei herkömmlichen Lichtquellen der Fall ist. Folglich kann die erfindungsgemäße Lichtquelle mit geringe-
rer Energie und damit wirtschaftlicher als herkömmliche Lichtquellen betrieben werden.In view of a high conversion efficiency of the light source, the filament 2 has a flat section 4. The flat section 4 enables a high degree of absorption of the thermal radiation reflected from the inside of the bulb 1 and originally radiated from the filament 2. As a result, the filament 2 is quasi re-heated. This makes it possible to supply less energy to the light source to achieve the same light output of the light source than is the case with conventional light sources. Consequently, the light source according to the invention can be energy and therefore more economically than conventional light sources.
An dem Filament 2 sind Stromzufuhrungen 5 angebracht, die mit elektrischen Kontakten 6 der Heizeinrichtung 3 gekoppelt sind. An der Innenseite des Kolbens 1 ist eine Verspiegelung 7 vorgesehen, die das Reflexionsvermogen der Innenseite des Kolbens 1 für Wärmestrahlung wesentlich erhöht.Power supplies 5 are attached to the filament 2 and are coupled to electrical contacts 6 of the heating device 3. On the inside of the bulb 1, a mirror 7 is provided, which significantly increases the reflectivity of the inside of the bulb 1 for heat radiation.
Das Filament 2 ist im wesentlichen aus zwei U-Profilen 8 aufgebaut. Die U-Profile 8 sind an ihren oberen Enden elektrisch gekoppelt. An ihren unteren Enden sind die U- Profile 8 jeweils mit einer Stromzuführung 5 kontaktiert. Mit anderen Worten ist der flächige Abschnitt 4 des Filaments 2 als Band mit zwei Längsseiten 9 ausgebildet, an denen jeweils zwei Flachenelemente 10 flugelartig von dem Band abragen Die insgesamt vier Flächenelemente 10 ragen jeweils in einem Winkel von etwa 90 Grad von dem Band ab.The filament 2 is essentially made up of two U-profiles 8. The U-profiles 8 are electrically coupled at their upper ends. At their lower ends, the U-profiles 8 are each contacted with a power supply 5. In other words, the flat section 4 of the filament 2 is designed as a band with two longitudinal sides 9, on each of which two flat elements 10 project from the band in a wing-like manner. The total of four surface elements 10 each protrude from the band at an angle of approximately 90 degrees.
Die gesamte elektrische Kontaktierung der Lichtquelle ist am unteren Ende 11 des Kolbens 1 vorgesehen.The entire electrical contacting of the light source is provided at the lower end 11 of the bulb 1.
Das Filament 2 besteht aus gesintertem Tantalpulver und einer Tantalkarbidschicht an seiner Oberflache.Filament 2 consists of sintered tantalum powder and a tantalum carbide layer on its surface.
Fig. 2 zeigt die Lichtquelle aus Fig. 1 in einer um 90 Grad um die Langsachse des Kolbens 1 gedrehten Position. Hierbei sind die Flachenelemente 10 besonders gut erkennbar. Das U-Profil 8 wird jeweils durch zwei Flachenelemente 10 und ein Band bzw. bandförmiges Grundteil des Filaments 2 gebildet. Hinsichtlich der Beschreibung weiterer Elemente der Lichtquelle wird auf die Figurenbeschreibung zur Fig. 1 verwiesen.FIG. 2 shows the light source from FIG. 1 in a position rotated by 90 degrees around the longitudinal axis of the bulb 1. Here, the flat elements 10 are particularly well recognizable. The U-profile 8 is formed in each case by two flat elements 10 and a band or band-shaped base part of the filament 2. With regard to the description of further elements of the light source, reference is made to the description of the figures for FIG. 1.
Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle aus Fig. 1 in einer Draufsicht Dabei sind die beiden U-Profile 8, die an ihren oberen Enden miteinander verbunden sind, besonders gut erkennbar. Das Filament 2 ist koaxial im Kolben 1 angeordnet Die Stromzuführungen 5 sind an den Innenseiten der U-Profile 8 angebracht. An der
Innenseite des Kolbens 1 ist eine Verspiegelung 7 aufgebracht. Die Flächenelemente 10 sind entlang den Längsseiten 9 des Filaments angeordnet.FIG. 3 shows the embodiment of a light source from FIG. 1 in a top view. The two U-profiles 8, which are connected to one another at their upper ends, can be seen particularly well. The filament 2 is arranged coaxially in the piston 1. The power supply lines 5 are attached to the inside of the U-profiles 8. At the A mirror 7 is applied to the inside of the piston 1. The surface elements 10 are arranged along the long sides 9 of the filament.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.With regard to further advantageous refinements and developments of the teaching according to the invention, reference is made on the one hand to the general part of the description and on the other hand to the appended claims.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, daß das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel einschränkt.
In conclusion, it should be particularly emphasized that the previously selected purely arbitrary exemplary embodiment only serves to discuss the teaching according to the invention, but does not restrict it to this exemplary embodiment.