EP1769526B1 - Glühlampe mit carbidhaltigem leuchtkörper - Google Patents

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EP1769526B1
EP1769526B1 EP05763639A EP05763639A EP1769526B1 EP 1769526 B1 EP1769526 B1 EP 1769526B1 EP 05763639 A EP05763639 A EP 05763639A EP 05763639 A EP05763639 A EP 05763639A EP 1769526 B1 EP1769526 B1 EP 1769526B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
incandescent lamp
lamp according
power supply
tantalum
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP05763639A
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English (en)
French (fr)
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EP1769526A1 (de
Inventor
Axel Bunk
Georg Rosenbauer
Matthias Damm
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Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H01K1/04—Incandescent bodies characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/40—Leading-in conductors

Definitions

  • the invention relates to an incandescent lamp with carbide-containing luminous element according to the preamble of claim 1. It is in particular to halogen incandescent lamps having a luminous body of TaC, or contains the luminous body TaC as a component or coating.
  • Tantalum carbide has a melting point about 500 K higher than tungsten.
  • the temperature of a luminous body of tantalum carbide can be set considerably higher than that of a filament of tungsten.
  • tantalum carbide lamps lamps with tantalum carbide as luminous element
  • Marketing of tantalum carbide lamps has been hindered mainly by the brittleness of tantalum carbide and the rapid decarburization or decomposition of the filament at high temperatures.
  • FIG. 3 shows an unilaterally pinched bulb 1 with a piston 2 made of hard glass, and a pinch 3, in which two foils 4 are embedded.
  • a piston 2 made of hard glass
  • a pinch 3 in which two foils 4 are embedded.
  • On the film 4 each end outer (5) and inner power supply lines 6, which are connected in the interior of the piston with an axial filament 7.
  • the luminous body preferably breaks in exactly this area.
  • the task now is to protect or stabilize this area if possible so that the susceptibility to breakage in this area is reduced. This stabilization should allow at least a safe transport of the lamp to the customer.
  • the handling of the coils made of TaC is critical because of the still considerable brittleness of the TaC, so that this process control is usually out of the question.
  • an integral luminous element is used for this, in which the two power supply lines are a continuation of the coiled filament.
  • the filament and the power supply are made of a single wire.
  • the power supply is partially coated, with a certain distance of the coating to the filament is useful. The distance is based on the temperature that is reached in operation at the location of the boundary between the coated and uncoated part of the power supply.
  • the first preferred embodiment is based on the idea that prior to carrying out the carburization of the TaC helix, those points at which the carburization of the tantalum can not be completed due to the low temperatures occurring there and, accordingly, mainly the brittle subcarbide Ta 2 C is present, before being carried out the carburization by a coating to protect.
  • the coating is primarily intended to shield the tantalum in the respective regions from the carbon-containing atmosphere provided during carburization via the exhaust tube, so that no carburization occurs at these sites.
  • the protective layer must at least survive the carburizing process to ensure safe transport of the lamps to the customer. Thereafter, depending on the specific application, the protective layer is no longer necessarily needed; A - even partial - degradation of the protective layer by diffusion or chemical processes may then be tolerated. It is usually not desired.
  • the material of the protective layer must not melt or evaporate at the temperatures at which the brittle subcarbide would be formed without the protective layer, ie the melting point should preferably be above about 2000 ° C, better still significantly higher.
  • the coating at the outlets to places is placed so close to the luminous body, that the transition region between the uncoated and the coated places at the departure is already at such a high temperature in that at the area of the power supply immediately following the end of the coating, a complete carburization of the tantalum to tantalum carbide can take place.
  • the coating - at least in the areas near the transition to the uncoated area - must be so thin that here by the coating no increased heat dissipation is caused.
  • Typical layer thicknesses are 1 to 50 ⁇ m. The respective value depends on the coating material used and the thickness of the wire to be coated. In "colder" areas near the outlet, the coating may also be thicker in order to additionally achieve mechanical stabilization here. The layer thickness can therefore follow a gradient, the layer thickness increasing steadily or suddenly in the direction of the pinch edge.
  • the outlets are surrounded with a relatively thick layer of a material, in order to mechanically stabilize the outlets, and on the other hand, the points with the brittle transition phase Ta 2 C to places so close to the luminaire to move that takes place by "shortening of the lever arm" at impact load, an increase in shock resistance.
  • Typical layer thicknesses are in the range 50 to 200 microns.
  • the relatively thick protective coating performs a similar function to that in DE-Az 10 2004 014 211.4 Coating coil (not yet published).
  • metals which form carbides with carbon which are also brittle, but whose brittleness is not so great as that of Ta 2 C.
  • the metals tungsten, molybdenum, hafnium, niobium or zirconium or their carbides.
  • carbides of non-metals is also possible, such as boron carbide or silicon carbide.
  • the coating prevents or delays the carburization at the outlets; the coating spiral ensures further stabilization. It is important that the coating is extended beyond the end of the coating spiral out in the direction of the filament, since at the end of the coating filament often so low temperatures occur at which the carburization can not be completed.
  • the invention described here relates in particular to lamps with reduced piston volume, wherein the distance of the luminous element, in particular its luminous portions, from the inner wall of the piston is at most 18 mm.
  • the piston diameter is at most 35 mm, in particular in the range between 5 mm and 25 mm, preferably in the range between 8 mm and 15 mm.
  • pistons of such small dimensions in particular of such small diameter, the risk of separation of solids from the piston wall must be counteracted at all costs.
  • these small piston diameters can depending on the color temperature of the coil, the blackening of the bulb via a two-fold cycle, as it is still unpublished DE-Az 103 56 651.1 is described, significantly reduced or avoided.
  • the power supply is protected in that it is at least partially coated with a coating.
  • it is an axially or transversely to the axis arranged luminous body in a one-sided or two-sided closed, in particular squeezed piston.
  • the luminous element is preferably a single-coiled wire whose ends, which serve as a power supply, are uncoiled. Typical diameters of the wire for the luminous element are 50 to 300 ⁇ m. Typically, the filament is formed from 5 to 20 turns. A preferred gradient factor in order to achieve the highest possible stability of the luminous element is 1.4 to 2.8.
  • the coating extends to the region of the power supply, which enters from the piston interior into the piston material.
  • the piston is closed by one or two bruises. This area is called the pinch edge.
  • the breaking sensitivity is particularly high, especially in the area of the squish edge, since a high bending moment occurs here.
  • the coating extends over at least 10%, preferably over at least 50% and particularly preferably over at least 80%, of the length of the power supply in the interior of the piston. It is important for the coating according to the first embodiment with a relatively thin layer that the coating is pulled up to places so close to the luminous body, that the temperature at the unprotected sites is already so large that there is a complete carburization and the occurrence of the brittle Subcarbide Ta 2 C is avoided.
  • a coating according to the second embodiment serves as a support; It should be pulled up as far as possible to reach the greatest possible stabilization.
  • the piston can be specially adapted for this, for example elliptical or cylindrical, as known per se.
  • a particular advantage lies in the use of halogen fillings, since with suitable dimensioning not only a cyclic process for the material of the luminous body, but also for the material of the coating can be set in motion.
  • An example is a Re-Br cycle process using Re as the coating material and Br as the active halogen.
  • Such fillings are known per se. In particular, it is a filling for a dual cycle process, as in the unpublished DE-A 103 56 651.1 is described.
  • the construction of the invention is much simpler than previous designs, because, especially for NV applications up to 80 V, no quartz beam is needed and because usually can be dispensed with a Umspinnungsplanetaryl, and also because no problematic contacts between an already Maschinenbur mandat from TaC existing lighting fixtures and the power supply lines (welding or clamping or crimping) are required.
  • welding or clamping or crimping When handling an already Maschinenbur striv luminaire from TaC it is often damaged at the ends of the filament due to the brittleness of the material.
  • the material of the luminous element is TaC.
  • carbides of Hf, Nb or Zr are suitable.
  • the present invention is particularly suitable for low-voltage lamps with a voltage of at most 50 V, because the necessary filament can be made relatively solid and for the wires preferably a diameter between 50 microns and 300 microns, especially at most 150 microns for general lighting purposes with maximum power of 100 W, exhibit. Thick wires up to 300 ⁇ m are used in particular for photo-optical applications up to a power of 1000 W.
  • the invention is used for one-sided squeezed lamps, since the luminous body can be kept relatively short, which also reduces the susceptibility to breakage. But the use for double-sided squeezed lamps and mains voltage lamps is conceivable.
  • FIG. 1 shows a bulb pinched on one side 1 with a piston made of quartz glass 2, a pinch seal 3, and inner power supply lines 6, the films 4 in the pinch seal 3 with a filament 7 connect.
  • the luminous element is a simply wound, axially arranged wire made of TaC, whose uncoiled ends 14 are continued transversely to the lamp axis.
  • the outer leads 5 are attached to the outside of the foils 4.
  • the inner diameter of the piston is 5 mm.
  • the coil ends 14 are then bent parallel to the lamp axis and form the inner power supply lines 6 as an integral extension.
  • the power supply lines 6 are provided with a coating 8 over at least the part of their entire length which does not become hotter than 2000 ° C. during operation. This consists of a material as shown below.
  • the metals rhenium (melting point: 3453 K), ruthenium (melting point: 2583 K), osmium (melting point: 3318 K), and iridium (melting point: 2683 K) do not form carbides or only to a small extent carbides. In them, carbon is soluble only to a relatively small extent. They are largely impermeable to carbon, cf. z.
  • the patent US 1854970 One possibility is therefore those areas of the initially consisting of tantalum filament, which only heated to temperatures below about 2500 K. be surrounded with a protective layer of these metals.
  • the thickness of the protective layer must be chosen sufficiently large to survive at least the carburizing process. Typical are layer thicknesses between 1 .mu.m and 50 .mu.m; depending on the design of the carburizing process.
  • the order of the metals can be carried out, for example, electrolysis, CVD deposition or sputtering processes.
  • the material of the protective layer can also consist of refractory compounds which must not react with the tantalum of the outlets of the filament, nor with the carbon-containing atmosphere of the lamp or may not diffuse into the tantalum.
  • HfB 2 , ZrB 2 , NbB 2 and TiB 2 are stable to carbides at least up to 2800K against reaction with carbon containing compounds. Furthermore, the compounds HfB 2 , ZrB 2 and NbB 2 are stable over the entire temperature range of interest here to a reaction with tantalum, whereas TiB 2 reacts with tantalum to form TaB 2 (the resulting titanium has too low a melting point anyway). Thus, for example, HfB 2 , ZrB 2 and NbB 2 are possible materials for the required protective layers since they react neither with the tantalum substrate nor with the carbon-containing atmosphere of the lamp.
  • relatively small layer thicknesses can be used, which are preferably in the range between 0.5 .mu.m and 5 .mu.m.
  • the use of tantalum boride may be useful in some cases, since the tantalum boride does not react with the carbon in the gas phase and the boron must first diffuse into the interior of the wire, which further diffuses the Carbon is delayed sufficiently long.
  • the nitrides HfN, ZrN, NbN, TiN, VN and TaN are stable against reaction with methane-derived carbon to carbides only up to temperatures of about 1000K or below.
  • ZrN reacts up to relatively high temperatures (about 1500 K) not with the carbon in the lamp atmosphere, also HfN (up to 1100 K resistant) is relatively stable.
  • ZrN and HfN do not react with tantalum at TaN in the temperature range in question, ie zirconium nitride and hafnium nitride are more stable than tantalum nitride.
  • NbN and VN can react with the tantalum to TaN; TiN decomposes at too low temperatures around 2000 K.
  • the two materials HfN and ZrN are conditionally suitable as material for protective coatings.
  • a certain reaction time is required, which - depending on the process in the carburization and thickness of the applied layers - may be sufficient to the underlying area of the tantalum wire before to protect a carburation.
  • a coating of the tantalum wire in the range in question with TaN may in individual cases be sufficient to slow carburization of the region in question so that in practice it plays no role during the carburization of the luminous body.
  • the tantalum wire may first be coated with ZrN or HfN, both of which do not react with tantalum in the range of temperatures in question.
  • the first layer applied to the tantalum may then be further coated with e.g. Rhenium, osmium etc. are coated, which react neither with the ZrN or HfN still with the carbon from the lamp atmosphere.
  • Rhenium, osmium etc. are coated, which react neither with the ZrN or HfN still with the carbon from the lamp atmosphere.
  • the respective less desirable properties of the individual layer systems - namely the diffusion of the metals rhenium, osmium, etc. into the tantalum and the reaction of zirconium nitride and hafnium nitride to the respective carbides - can be avoided.
  • Such systems are stable for relatively long periods.
  • the decay of the boron nitride with subsequent reaction of the tantalum to tantalum (di) boride and also the less stable tantalum nitride proceeds usually progressing so slowly that the carburization of the tantalum is delayed for a sufficient amount of time.
  • boron carbide in its disintegration preferably the more stable tantalum (di) boride is formed and not the tantalum carbide. The time required for the decay of the boron carbide, the reaction with the tantalum and the diffusion of the boron atoms into the interior of the tantalum delay the carburization.
  • a special case of the examples described above is the passivation of the outlets - which consist of tantalum prior to carburization - by boriding or nitriding, whereby the carburization in the critical temperature range is delayed or prevented sufficiently long in the subsequent Karburierrind.
  • no protective layer is applied to the outlets, but the surface "passivated” by chemical reaction of the tantalum with boron or nitrogen or the rate of carburization sufficiently low.
  • the outlets of the luminous element in this case are coated with a layer whose thickness is preferably in the range between one-tenth and one-half the diameter of the tantalum wire to be coated.
  • a layer whose thickness is preferably in the range between one-tenth and one-half the diameter of the tantalum wire to be coated.
  • tungsten, molybdenum, hafnium, zirconium or other carbide-forming materials may additionally be considered as coating materials.
  • the protective layer consists of tantalum or one uses from the outset in the area of the outlets tantalum wires of larger diameter than in the area of the filament.
  • the described procedures can also be applied to lamps with carbides of metals other than luminous bodies such as hafnium carbide or zirconium carbide or niobium carbide.
  • FIG. 2 shows a two-sided squeezed incandescent lamp 20, also known as Soffitte, with a piston made of quartz glass 21, two pinch 24 and 25, leads 27, which are connected to a luminous element 26.
  • the inner diameter of the piston is 15 mm.
  • the luminous element 26 is simply coiled and consists of TaC.
  • the power supply lines 27 are partially covered with a coating 30 of hafnium boride and terminate in base portions 28, as is well known, sitting on the pinch 24, 25.
  • the coating or a part thereof, which does not comprise the peak temperature reached at the coating nor be surrounded by a wrapping of helical wire or a solid sleeve, for example made of molybdenum, as in principle DE-Az 10 2004 014 211.4 (not yet published).
  • the lamp preferably uses a filament of tantalum carbide, which preferably consists of a single-coiled wire.
  • the piston is made of quartz glass or hard glass with a piston diameter between 5 mm and 35 mm, preferably between 8 mm and 15 mm.
  • the filling is mainly inert gas, in particular noble gas such as Ar, Kr or Xe, possibly with the addition of small amounts (up to 15 mol%) of nitrogen.
  • Added to this is a hydrocarbon, hydrogen and a halogen additive.
  • Zirconium carbide, hafnium carbide, or an alloy of various carbides such as, for example, in US Pat US-A 3 405 328 described.
  • a luminous body which consists of a support material such as a rhenium wire core or a carbon fiber, said core is coated with tantalum carbide or another metal carbide, see the unpublished application DE-Az 103 56 651.1 ,
  • Another possibility is to first deposit carbon on the luminous body consisting of TaC, for example by heating the TaC luminous body in an atmosphere with a high CH 4 concentration. Tantalum carbide is then deposited on this carbon layer.
  • tantalum can be deposited in a CVD process, which is then carburized either by the enclosed carbon and / or externally by heating in an atmosphere containing, for example, CH 4 .
  • the hydrogen content is at least the carbon content, preferably two to eight times the carbon content.
  • the halogen content is at most half, in particular one fifth to one twentieth, in particular to one tenth, of the carbon content.
  • the halogen content should at most equal to the hydrogen content, preferably at most half of the hydrogen content.
  • a guideline for the halogen content is 500 to 5000 ppm. All these data refer to a cold filling pressure of 1 bar. If the pressure changes, the individual concentration data must be converted so that the absolute quantities of substance are retained; e.g. Halve all concentration data in ppm at a pressure doubling.
  • the color temperature is 3800 K. It uses a TaC wire (obtained from carburized tantalum) with a diameter of 125 ⁇ m. He is simply coiled and shows a much better fracture behavior than lamps with uncoated outlets. The fracture tests were carried out with a beater.
  • the electrodes ie massive power supply of mostly molybdenum or tungsten, during lamp operation slowly carbon from the Gas phase record and thus act as a "getter” for carbon, at least in the hotter areas near the attachment of the filament. This disturbs the cycle in the lamp; a return of carbon to the lamp is no longer possible.
  • the electrodes may be coated with a layer of the above metals rhenium, osmium, ruthenium, or iridium.
  • the coatings of the electrodes with, for example, hafnium boride, zirconium boride and niobium boride. Since, for example, molybdenum boride is more stable than molybdenum carbide, the electrodes can be passivated by boron from the outside. Another possibility is the coating of the Mo or W electrodes with nitrides such as hafnium nitride, zirconium nitride, niobium nitride; Although these compounds are slowly converted into carbides during carburization or during operation of the lamp, the time required for this is sufficiently high given a sufficiently thick layer thickness. Even a complete design of the massive power supply of one of the metals mentioned is possible.
  • Coated luminaires are suitable for transporting the lamp under normal conditions.
  • the filament is so fragile that special measures would have to be taken for the transport of the lamp.
  • the discarding of the filament is reduced the shorter the filament outlets are selected.
  • the cause of the discarding is the volume increase in the carburization. This increase is noticeable in particular by an increase in length. It has been shown that the disturbing discarding does not lead to a tilting within the turns of the filament, but that the filament as a whole tilts laterally out of the axial position.
  • the avoidance of rejection is an unconditional prerequisite for the use of interference filters on the piston in the sense of an IRC coating, as is known per se, see EP 765 528 ,
  • the outer diameter of the additional use of a sleeve corresponds to a maximum of twice the diameter of the wire of the lamp. The thinner the sleeve, the lower its weight.
  • a very specific filling consists of the following components: 1 bar (cold filling pressure) Kr + 1% C 2 H 4 + 1% H 2 + 0.05% CH 2 Br 2 .
  • the concentration data are mol%.
  • the material of the power supply lines may have portions of the metal or of the metal carbide in the luminous element in a different stoichiometry. This case occurs in particular when a coating material such as rhenium diffuses into a wire of other metal such as tantalum.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Acyclic And Carbocyclic Compounds In Medicinal Compositions (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung geht aus von einer Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Halogenglühlampen, die einen Leuchtkörper aus TaC aufweisen, oder dessen Leuchtkörper TaC als Bestandteil oder Beschichtung enthält.
    • Stand der Technik
  • Aus vielen Schriften ist eine Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper bekannt. Bisher noch ungelöste Problem sind die stark einschränkte Lebensdauer und die hohe Bruchanfälligkeit des Leuchtkörpers. Eine in US 1 854 970 erwähnte Möglichkeit zur Lösung des Problems mit der Bruchanfälligkeit besteht darin, den Leuchtkörper aus Metallkern beispielsweise Wolfram, und darauf aufgebrachter rheniumhaltiger Schicht herzustellen, wobei anschließend eine Tantalcarbid-Beschichtung aufgebracht wird.
  • Aus der US-A 3 524 693 ist bekannt, ein Tantalcarbidfilament zu verwenden, das einfach gewendelt ist. Daran schließen sich integrale Abschnitte einer Stromzuführung an. Diese Abschnitte werden in eine Hülse, die mit einem Metallpulver gefüllt ist, eingeschmolzen.
  • Tantalkarbid besitzt einen um ca. 500 K höheren Schmelzpunkt als Wolfram. Somit kann die Temperatur eines Leuchtkörpers aus Tantalkarbid erheblich höher eingestellt werden als diejenige eines Leuchtkörpers aus Wolfram. Wegen der höheren Temperatur des Leuchtkörpers und der verstärkten Emission des Tantalkarbids im sichtbaren Spektralbereich sind mit Tantalkarbidlampen ( = Lampen mit Tantalkarbid als Leuchtkörper) erheblich höhere Lichtausbeuten realisierbar als mit Lampen mit herkömmlichen Glühkörper aus Wolfram. Einer Vermarktung von Tantalkarbidlampen stehen bisher hauptsächlich die Sprödigkeit des Tantalkarbids sowie die schnelle Entkarburierung bzw. Zersetzung des Leuchtkörpers bei hohen Temperaturen im Wege. Zur Überwindung des Problems mit der Sprödigkeit werden in der Patentliteratur z.B. die Verwendung optimierter Verfahren zur Karburierung ( DE 1.558.712 , US 3.650.850 ), der Gebrauch von Legierungen von TaC mit anderen Carbiden / Materialien (z.B. TaC + WC, TaC + HfC, usw., siehe US 3.405.328 , US 4.032,809 , ), und die Verwendung von Trägermaterialen ( US 1854970 ) vorgeschlagen.
  • Um den fertigungstechnischen Aufwand beim Bau einer TaC Lampe möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen, eine TaC-Lampe in derselben Geometrie zu bauen wie eine herkömmliche Niedervolt-Halogenlampe in Quarztechnik, siehe z.B. Figur 3.
  • Figur 3 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben 2 aus Hartglas, und einer Quetschung 3, in der zwei Folien 4 eingebettet sind. An der Folie 4 enden jeweils äußere (5) und innere Stromzuführungen 6, die im Innern des Kolbens mit einem axialen Leuchtkörper 7 verbunden sind.
  • Dazu werden zunächst Wendeln aus Tantaldraht gefertigt und unter Verwendung dieser Wendeln Stängellampen gebaut. Anschließend wird der Leuchtkörper aus Tantaldraht in der Stängellampe unter Verwendung eines Gemischs aus Methan und Wasserstoff karburiert. Hinsichtlich den grundlegenden Eigenschaften der Karburierung vgl. z.B. S. Okoli, R. Haubner, B. Lux, Surface and Coatings Technology 47 (1991), 585 - 599, und G. Hörz, Metall 27, (1973), 680. In diesem Zusammenhang sind zwei Eigenschaften der Karburierungsreaktionen relevant:
    1. (1) Bei der Karburierung wird zunächst das spröde Subcarbid Ta2C gebildet. Bei weiterer Zufuhr von Kohlenstoff bildet sich dann die TaC Phase.
    2. (2) Die Karburierungsreaktion erfolgt um so schneller, je höher die Temperatur ist.
  • Die einfachste Möglichkeit, den Leuchtkörper auf die zur Karburierung benötigten Temperaturen zu bringen, besteht darin, eine geeignete Spannung an den Leuchtkörper anzulegen. Dabei entsteht jedoch bedingt durch die Wärmeableitung ein Temperaturgefälle von den Enden des Leuchtkörpers zur Quetschung hin. Am Leuchtkörper können in jedem Fall hinreichend hohe Temperaturen eingestellt werden, so dass eine durchgehende Karburierung erfolgt. Direkt oberhalb der Quetschung liegen die Temperaturen aber so niedrig (meist unter 700°C), dass überhaupt keine Karburierung erfolgt. In diesem Bereich können für die vollständige Karburierung erforderliche Temperaturen nur schwer eingestellt werden. Zwischen dem Bereich direkt an der Quetschung, in welchem noch ein Draht aus Tantal vorliegt, und dem vollständig durchkarburierten Leuchtkörper befindet sich ein Bereich, in denen das spröde Subcarbid Ta2C vorliegt. Bei einer Stoßbelastung bricht der Leuchtkörper bevorzugt in genau diesem Bereich. Die Aufgabe besteht nun darin, diesen Bereich möglichst so zu schützen bzw. zu stabilisieren, dass die Bruchanfälligkeit in diesem Bereich herabgesetzt wird. Diese Stabilisierung soll wenigstens einen sicheren Transport der Lampe zum Kunden ermöglichen.
  • Eine Möglichkeit besteht darin, den kritischen Bereich, in welchem das spröde Subcarbid Ta2C dominiert, durch den Gebrauch einer Überzugswendel oder Hülse zu schützen, wie in DE-Az 10 2004 014 211.4 (noch nicht veröffentlicht) beschrieben.
  • Alternativ kann man auch den aus Tantal bestehenden Leuchtkörper vor dem Einbau in die Lampe karburieren. Allerdings ist in diesem Fall das Handling der aus TaC bestehenden Wendeln wegen der immer noch erheblichen Brüchigkeit des TaC kritisch, so dass diese Prozessführung meist nicht in Frage kommt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper, insbesondere mit Halogenfüllung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer ermöglicht und das Problem der Brüchigkeit des Leuchtkörpers überwindet.
  • Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird dafür ein integraler Leuchtkörper verwendet, bei dem die beiden Stromzuführungen eine Fortführung des gewendelten Leuchtkörpers sind. Leuchtkörper und Stromzuführung sind aus einem einzigen Draht gebildet. Die Stromzuführung ist teilweise beschichtet, wobei ein gewisser Abstand der Beschichtung zum Leuchtkörper sinnvoll ist. Der Abstand orientiert sich an der Temperatur, die im Betrieb an der Stelle der Grenze zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Teil der Stromzuführung erreicht wird.
  • Zur Vermeidung bzw. Verringerung der Brüchigkeit des Leuchtkörpers in dem Bereich, in dem das spröde Ta2C vorliegt, werden zwei verschiedene Ausführungsformen der Beschichtung vorgeschlagen.
  • Der ersten bevorzugten Ausführungsform liegt der Gedanke zugrunde, vor der Durchführung der Karburierung der TaC Wendel diejenigen Stellen, an denen aufgrund der dort auftretenden niederen Temperaturen die Karburierung des Tantals nicht abgeschlossen werden kann und dementsprechend hauptsächlich das spröde Subcarbid Ta2C vorliegt, vor der Durchführung der Karburierung durch eine Beschichtung zu schützen. Die Beschichtung soll primär das Tantal in den entsprechenden Bereichen gegen die Kohlenstoff enthaltende Atmosphäre die während der Karburierung über den Pumpstengel bereitgestellt wird, abschirmen, so dass an diesen Stellen keine Karburierung erfolgt. Nur diejenigen Bereiche des ursprünglich aus Tantal bestehenden Leuchtkörpers, die sich bei sehr hohen Temperaturen oberhalb 2000 °C, bevorzugt oberhalb ca. 2300°C befinden, werden nicht mit einer Schutzschicht versehen und folglich komplett zu TaC durchkarburiert (der genaue Grenzwert hängt von den jeweiligen Randbedingungen ab), siehe Figur 1 in der Anlage. Das Auftreten des spröden Subcarbids Ta2C lässt sich bedingt durch die longitudinale Diffusion von Kohlenstoff in Richtung des Temperaturgradienten nicht vollständig vermeiden, kann aber auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt werden. Sekundär kann die Beschichtung auch zur Stabilisierung des Abgangs dienen, wenn der schmale Bereich der Existenz des Subcarbids durch eine Schutzschicht mechanisch stabilisiert wird (Vermeidung einer von der Oberfläche einsetzenden Rissbildung). Die Schutzschicht muss wenigstens den Karburierungsprozess überstehen, um einen sicheren Transport der Lampen zum Kunden zu gewährleisten. Danach wird die Schutzschicht, abhängig von der konkreten Anwendung, nicht mehr unbedingt benötigt; ein -- auch teilweiser -- Abbau der Schutzschicht durch Diffusion oder chemische Prozesse kann dann u.U. hingenommen werden. Sie ist im Regelfall jedoch nicht erwünscht. Das Material der Schutzschicht darf bei den Temperaturen, bei denen ohne die Schutzschicht das spröde Subcarbid entstehen würde, nicht schmelzen oder verdampfen, d.h. der Schmelzpunkt sollte möglichst oberhalb ca. 2000 °C, besser noch deutlich höher liegen. Bei Schutz des aus Ta2C bestehenden Übergangsbereichs gemäß diesem Grundprinzip ist wesentlich, dass die Beschichtung an den Abgängen bis zu Orten so nahe am Leuchtkörper angebracht wird, dass der Übergangsbereich zwischen den unbeschichteten und den beschichteten Orten am Abgang sich bereits auf so hoher Temperatur befindet, dass am Bereich der Stromzuführung, der unmittelbar dem Ende der Beschichtung folgt, eine vollständige Karburierung des Tantals zu Tantalcarbid stattfinden kann. In der Regel muss daher die Beschichtung - zumindest in den Bereichen nahe des Übergangs zum unbeschichteten Bereich - so dünn sein, dass hier durch die Beschichtung keine erhöhte Wärmeabfuhr verursacht wird. Typische Schichtdicken sind 1 bis 50 µm. Der jeweilige Wert hängt vom verwendeten Beschichtungsmaterial und der Dicke des zu beschichtenden Drahtes ab. In "kälteren" Bereichen nahe des Abgangs kann die Beschichtung auch dicker sein, um hier zusätzlich eine mechanische Stabilisierung zu erreichen. Die Schichtdicke kann also einem Gradienten folgen, wobei in Richtung der Quetschkante die Schichtdicke stetig oder sprunghaft zunimmt.
  • Gemäß einer zweiten bevorzugt Ausführungsform werden die Abgänge mit einer relativ dicken Schicht eines Material umgeben, um zum einen die Abgänge mechanisch zu stabilisieren, und zum anderen die Stellen mit der spröden Übergangsphase Ta2C zu Orten so nahe am Leuchtkörper zu verschieben, dass durch "Verkürzung des Hebelarms" bei Stossbelastung eine Erhöhung der Stossfestigkeit stattfindet. Typische Schichtdicken liegen im Bereich 50 bis 200 µm. In diesem Fall übernimmt die relativ dicke Schutzbeschichtung eine ähnliche Funktion wie die in DE-Az 10 2004 014 211.4 (noch nicht veröffentlich) beschriebene Überzugswendel. In diesem Fall können als Material für die Schutzbeschichtung neben den unter Grundprinzip 1 genannten Stoffen auch solche Metalle verwandt werden, welche mit Kohlenstoff Carbide bilden, welche zwar ebenfalls spröde sind, deren Sprödigkeit aber nicht so groß ist wie diejenige des Ta2C. In Frage kommen z.B. die Metalle Wolfram, Molybdän, Hafnium, Niob oder Zirkonium bzw. deren Carbide. Auch der Einsatz der Carbide von Nichtmetallen ist möglich wie z.B. Borcarbid oder Siliziumcarbid.
  • Für höhere Anforderungen wird der Gebrauch einer Schutzschicht gemäß erster Ausführungsform mit der Verwendung einer Überzugswendel wie in DE-Az 10 2004 014 211.4 beschrieben kombiniert; daraus resultieren weitere Vorteile wie die Erhöhung der Einschaltfestigkeit. Die Beschichtung verhindert bzw. verzögert die Karburierung an den Abgängen; die Überzugswendel sorgt für eine weitere Stabilisierung. Wichtig ist, dass die Beschichtung noch über das Ende der Überzugswendel hinaus in Richtung des Leuchtkörpers verlängert wird, da am Ende der Überzugswendel häufig noch so niedrige Temperaturen auftreten, bei denen die Karburierung nicht abgeschlossen werden kann.
  • Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich insbesondere auf Lampen mit reduziertem Kolbenvolumen, wobei der Abstand des Leuchtkörpers, insbesondere dessen leuchtende Abschnitte, von der Innenwand des Kolbens höchstens 18 mm beträgt. Insbesondere ist der Kolbendurchmesser höchstens 35 mm, insbesondere im Bereich zwischen 5 mm und 25 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 8 mm und 15 mm. Bei Kolben mit so geringen Abmessungen, insbesondere so geringem Durchmesser muss der Gefahr einer Abscheidung von Feststoffen an der Kolbenwand unbedingt entgegengetreten werden. Bei diesen kleinen Kolbendurchmessern kann je nach Farbtemperatur der Wendel die Kolbenschwärzung über einen zweifachen Kreisprozess, wie er in der noch unveröffentlichten DE-Az 103 56 651.1 beschrieben ist, deutlich reduziert bzw. vermieden werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stromzuführung dadurch geschützt, dass sie zumindest teilweise mit einer Beschichtung überzogen ist.
  • Insbesondere handelt es sich um einen axial oder quer zur Achse angeordneten Leuchtkörper in einem einseitig oder zweiseitig verschlossenen, insbesondere gequetschten Kolben.
  • Bevorzugt handelt es sich beim Leuchtkörper um einen einfach gewendelten Draht, dessen Enden, die als Stromzuführung dienen, ungewendelt sind. Typische Durchmesser des Drahtes für den Leuchtkörper sind 50 bis 300 µm. Typisch ist der Leuchtkörper aus 5 bis 20 Windungen gebildet. Ein bevorzugter Steigungsfaktor, um möglichst hohe Stabilität des Leuchtkörpers zu erreichen, ist 1,4 bis 2,8.
  • Besonders bevorzugt erstreckt sich die Beschichtung auf den Bereich der Stromzuführung, der vom Kolbeninneren in das Kolbenmaterial eintritt. normalerweise ist der Kolben von einer oder zwei Quetschungen abgeschlossen. Dieser Bereich wird als Quetschkante bezeichnet. Außerdem ist die Bruchempfindlichkeit gerade im Bereich der Quetschkante besonders hoch, da hier ein hohes Biegemoment auftritt.
  • Besonders bevorzugt erstreckt sich die Beschichtung über mindestens 10 %, bevorzugt über mindestens 50 % und besonders bevorzugt über mindestens 80 %, der Länge der Stromzuführung im Innern des Kolbens. Wichtig für die Beschichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit relativ dünner Schicht ist, dass die Beschichtung bis zu Stellen so nahe am Leuchtkörper hochgezogen ist, dass die Temperatur an den ungeschützten Stellen bereits so groß ist, dass hier eine vollständige Karburierung erfolgt und das Auftreten des spröden Subcarbids Ta2C vermieden wird. Eine Beschichtung gemäß der zweiten Ausführungsform dient als Stütze; sie sollte möglichst weit am Abgang hochgezogen werden, um eine möglichst große Stabilisierung zu erreichen.
  • Dieser Aspekt hat besondere Bedeutung deswegen, weil das Konzept der axialen Leuchtkörpers prinzipiell gut geeignet ist, um einen effizienzsteigernden Überzug auf dem Kolben anzubringen. Bekannt ist ein sog. Infrarot-Coating (IRC), wie es beispielsweise in der US-A 5 548 182 beschrieben ist. Entsprechend kann auch der Kolben extra dafür angepasst sein, beispielsweise elliptisch oder zylindrisch geformt, wie an sich bekannt.
  • Ein besonderer Vorteil liegt in der Anwendung von Halogenfüllungen, da bei geeigneter Dimensionierung nicht nur ein Kreisprozess für das Material des Leuchtkörper, sondern auch für das Material der Beschichtung in Gang gebracht werden kann. Ein Beispiel ist ein Re-Br-Kreisprozess bei Verwendung von Re als Beschichtungsmaterial und Br als aktivem Halogen. Derartige Füllungen sind an sich bekannt. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Füllung für einen zweifachen Kreisprozess, wie er in der noch unveröffentlichten DE-A 103 56 651.1 beschrieben ist.
  • Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Konstruktion deutlich einfacher als bisherige Konstruktionen, weil, insbesondere für NV-Anwendungen bis maximal 80 V, kein Quarzbalken benötigt wird und weil meist auf eine Umspinnungswendel verzichtet werden kann, und weil außerdem keine problematischen Kontaktierungen zwischen einem bereits durchkarburierten, aus TaC bestehenden Leuchtkörper und den Stromzuführungen (Schweißung oder Klemmung bzw. Crimpung) erforderlich sind. Beim Handling eines bereits durchkarburierten Leuchtkörpers aus TaC kommt es häufig zu Beschädigungen an den Enden des Leuchtkörpers wegen der Sprödigkeit des Materials.
  • Bevorzugt ist das Material des Leuchtkörpers TaC. Aber auch Carbide des Hf, Nb oder Zr sind geeignet. Ferner sind Legierungen verschiedener Carbide, z.B. des TaC und des HfC, geeignet.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Niedervoltlampen mit einer Spannung von höchstens 50 V, weil die dafür notwendigen Leuchtkörper relativ massiv ausgeführt sein können und dafür die Drähte bevorzugt einen Durchmesser zwischen 50 µm und 300 µm, insbesondere höchstens 150 µm für Allgemeinbeleuchtungszwecke mit maximaler Leistung von 100 W, aufweisen. Dicke Drähte bis 300 µm werden insbesondere bei fotooptischen Anwendungen bis zu einer Leistung von 1000 W gebraucht. Besonders bevorzugt wird die Erfindung für einseitig gequetschte Lampen verwendet, da hier der Leuchtkörper relativ kurz gehalten werden kann, was die Bruchanfälligkeit ebenfalls reduziert. Aber auch die Verwendung für zweiseitig gequetschte Lampen und Netzspannungslampen ist denkbar.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
    Figur 2
    eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
    Figur 3
    eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß dem Stand der Technik.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Figur 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 gewedelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen ungewendelte Enden 14 quer zur Lampenachse weitergeführt sind. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 5 mm. Die Wendelenden 14 sind anschließend parallel zur Lampenachse abgebogen und bilden dort die inneren Stromzuführungen 6 als integrale Verlängerung. Die Stromzuführungen 6 sind mindestens über den Teil ihrer gesamten Länge, der im Betrieb nicht heißer als 2000 °C wird, mit einer Beschichtung 8 versehen. Diese besteht aus einem Material wie nachfolgend dargestellt.
    • Ausführungsbeispiele für die erste Ausführungsform:
  • Zum Beispiel bilden die Metalle Rhenium (Schmelzpunkt: 3453 K), Ruthenium (Schmelzpunkt: 2583 K), Osmium (Schmelzpunkt: 3318 K),und Iridium (Schmelzpunkt: 2683 K) keine Carbide bzw. nur in geringem Maße Carbide. In ihnen ist Kohlenstoff nur in relativ geringem Maße löslich. Sie sind für Kohlenstoff weitgehend undurchlässig, vgl. z. B. hinsichtlich der Verwendung von Rhenium beim Leuchtkörper die Patentschrift US 1854970 . Eine Möglichkeit besteht somit darin, diejenigen Bereiche des zunächst aus Tantal bestehenden Leuchtkörpers, die nur auf Temperaturen unterhalb ca. 2500 K erhitzt werden, mit einer Schutzschicht aus diesen Metallen zu umgeben. Da bei hohen Temperaturen Tantal und das Material der genannten Metalle ineinander diffundieren, muss die Dicke der Schutzschicht hinreichend groß gewählt werden, um wenigstens den Karburierprozess zu überstehen. Typisch sind Schichtdicken zwischen 1 µm und 50 µm; je nach Auslegung des Karburierprozesses. Der Auftrag der Metalle kann z.B. Elektrolyse, CVD-Abscheidung oder Sputterprozesse erfolgen.
  • Alternativ kann das Material der Schutzschicht auch aus hochschmelzenden Verbindungen bestehen, die weder mit dem Tantal der Abgänge des Leuchtkörpers, noch mit der Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre der Lampe reagieren dürfen bzw. nicht in das Tantal eindiffundieren dürfen.
  • Zum Beispiel sind HfB2, ZrB2, NbB2 und TiB2 mindestens bis zu 2800 K gegen eine Reaktion mit Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen aus der Gasphase zu Karbiden stabil. Des weiteren sind die Verbindungen HfB2, ZrB2 und NbB2 über den gesamten hier relevanten Temperaturbereich gegen eine Reaktion mit Tantal stabil, hingegen setzt sich TiB2 mit Tantal zu TaB2 um (das dabei entstehende Titan hat ohnehin einen zu niedrigen Schmelzpunkt). Somit sind z.B. HfB2, ZrB2 und NbB2 mögliche Materialien für die benötigten Schutzschichten, da sie weder mit dem aus Tantal bestehenden Substrat noch mit der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre der Lampe reagieren. In diesem Fall können relativ geringe Schichtdicken eingesetzt werden, welche bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 µm und 5 µm liegen. Auch der Gebrauch von Tantalborid (ggf. zu Erreichen durch eine Borierung der Oberfläche) kann in Einzelfällen zweckmäßig sein, da das Tantalborid nicht mit dem Kohlenstoff in der Gasphase reagiert und zunächst das Bor in des Innere des Drahtes eindiffundieren muss, wodurch die weitere Diffusion des Kohlenstoffs hinreichend lange verzögert wird.
  • Die Nitride HfN, ZrN, NbN, TiN, VN und TaN sind gegen eine Reaktion mit aus dem Methan stammenden Kohlenstoff zu Carbiden nur bis zu Temperaturen um ca. 1000 K oder darunter stabil. Insbesondere ZrN reagiert bis zu relativ hohen Temperaturen (ca. 1500 K) nicht mit dem Kohlenstoff in der Lampenatmosphäre, auch HfN (bis zu 1100 K beständig) ist relativ stabil. ZrN und HfN reagieren im fraglichen Temperaturbereich nicht mit Tantal zu TaN, d.h. Zirkoniumnitrid und Hafniumnitrid sind stabiler als Tantalnitrid. Hingegen können NbN und VN mit dem Tantal zu TaN reagieren; TiN zersetzt sich bei zu niedrigen Temperaturen um 2000 K. Somit sind die beiden Materialien HfN und ZrN bedingt als Material für Schutzüberzüge geeignet. Für die Umsetzung von HfN und ZrN bei hohen Temperaturen oberhalb ca. 1500 K zu den jeweiligen Karbiden wird eine bestimmte Reaktionszeit benötigt, welche - je nach Verfahrensführung bei der Karburierung und Dicke der aufgetragenen Schichten - hinreichend sein kann, um den darunterliegenden Bereich des Tantaldrahts vor einer Karburierung zu schützen. In analoger Weise kann auch eine Beschichtung des Tantaldrahts im fraglichen Bereich mit TaN in Einzelfällen hinreichend sein, um eine Karburierung des fraglichen Bereichs so zu verlangsamen, dass sie in der Praxis während der Karburierung des Leuchtkörpers keine Rolle spielt.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht im Gebrauch von Systemen aus zwei Schichtmaterialien. Z.B kann der Tantaldraht zunächst mit ZrN oder HfN beschichtet werden, die beide im Bereich der in Frage kommenden Temperaturen nicht mit Tantal reagieren. Die erste auf dem Tantal aufgetragene Schicht kann dann noch mit z.B. Rhenium, Osmium etc. beschichtet werden, die weder mit dem ZrN bzw. HfN noch mit dem Kohlenstoff aus der Lampenatmosphäre reagieren. Auf diese Weise lassen sich die jeweilig weniger erwünschten Eigenschaften der einzelnen Schichtsysteme - nämlich die Diffusion der Metalle Rhenium, Osmium usw. in das Tantal und die Reaktion von Zirkoniumnitrid und Hafniumnitrid zu den jeweiligen Karbiden - umgehen. Solche Systeme sind über relativ lange Zeiten stabil.
  • Weiterhin kann man den fraglichen Bereich des Tantaldrahts mit Bornitrid beschichten. Der Zerfall des Bornitrids mit anschließender Reaktion des Tantals zu Tantal(di)borid bzw. auch dem weniger stabilen Tantalnitrid schreitet meist so langsam voran, dass die Karburierung des Tantals hinreichend lange hinausgezögert wird. Analog kann man Borcarbid verwenden, bei dessen Zerfall bevorzugt das stabilere Tantal(di)borid entsteht und nicht das Tantalcarbid. Durch die für den Zerfall des Borcarbids, die Reaktion mit dem Tantal und die Diffusion der Boratome in das Innere des Tantals benötigte Zeit wird die Karburierung hinausgezögert.
  • Ein Sonderfall oben beschriebener Beispiele stellt die Passivierung der Abgänge - welche vor der Carburierung aus Tantal bestehen - durch Borierung oder Nitridierung dar, wodurch beim anschließenden Karburierprozess die Karburierung im kritischen Temperaturbereich hinreichend lange verzögert bzw. unterbunden wird. In diesen Fällen wird keine Schutzschicht auf die Abgänge aufgetragen, sondern die Oberfläche durch chemische Reaktion des Tantal mit Bor oder Stickstoff "passiviert" bzw. die Geschwindigkeit der Karburierung hinreichend weit herabgesetzt.
    • Ausführungsbeispiele für die zweite Ausführungsform:
  • Die Abgänge des Leuchtkörpers werden in diesem Fall mit einer Schicht, deren Dicke bevorzugt im Bereich zwischen einem Zehntel und der Hälfte des Durchmessers des zu beschichtenden Tantaldrahtes liegt, beschichtet. Als Beschichtungsmaterialien kommen neben den bei der Beschreibung des Grundprinzips 1 genannten Metallen zusätzlich Wolfram, Molybdän, Hafnium, Zirkonium oder andere Karbide bildende Materialien in Betracht. Im einfachsten Fall besteht die Schutzschicht aus Tantal bzw. man verwendet von vorneherein im Bereich der Abgänge Tantaldrähte größeren Durchmessers als im Bereich des Leuchtkörpers.
  • Die beschriebenen Vorgehensweisen lassen sich auch auf Lampen mit Karbiden anderer Metalle als Leuchtkörper wie Hafniumkarbid oder Zirkoniumkarbid oder Niobkarbid übertragen.
  • Figur 2 zeigt eine zweiseitig gequetschte Glühlampe 20, auch als Soffitte bekannt, mit einem Kolben aus Quarzglas 21, zwei Quetschung 24 und 25, Zuleitungen 27, die mit einem Leuchtkörper 26 verbunden sind. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 15 mm. Der Leuchtkörper 26 ist einfach gewendelt und besteht aus TaC. Die Stromzuführungen 27 sind teilweise mit einer Beschichtung 30 aus Hafniumborid ummantelt und enden in Sockelteilen 28, wie an sich bekannt, die auf der Quetschung 24, 25 sitzen.
  • Zusätzlich kann die Beschichtung bzw. ein Teil davon, der nicht die an der Beschichtung erreichte Spitzentemperatur umfasst, noch von einer Umhüllung aus Wendeldraht oder einer festen Hülse, beispielsweise aus Molybdän, umgeben sein, wie im Prinzip in DE-Az 10 2004 014 211.4 (noch nicht veröffentlicht) beschrieben.
  • Im allgemeinen verwendet die Lampe bevorzugt einen Leuchtkörper aus Tantalcarbid, der bevorzugt aus einem einfach gewendelten Draht besteht.
  • Der Kolben ist aus Quarzglas oder Hartglas mit einem Kolbendurchmesser zwischen 5 mm und 35 mm, bevorzugt zwischen 8 mm und 15 mm, gefertigt.
  • Die Füllung ist hauptsächlich Inertgas, insbesondere Edelgas wie Ar, Kr oder Xe, ggf. unter Beimengung geringer Mengen (bis 15 mol-%) Stickstoff. Dazu kommt ein Kohlenwasserstoff, Wasserstoff und ein Halogenzusatz.
  • Als Leuchtkörpermaterial, der bevorzugt ein gewendelter Draht ist, eignet sich auch Zirkoniumkarbid, Hafniumkarbid, oder eine Legierung verschiedener Karbide wie z.B. in US-A 3 405 328 beschrieben.
  • Eine Alternative ist ein Leuchtkörper, der aus einem Trägermaterial wie z.B. einem Rheniumdraht als Kern oder auch einer Kohlenstofffaser besteht, wobei dieser Kern mit Tantalcarbid oder einem anderen Metallcarbid beschichtet ist, siehe hierzu die noch unveröffentlichte Anmeldung DE-Az 103 56 651.1 .
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf dem aus TaC bestehenden Leuchtkörper zunächst Kohlenstoff abzuscheiden, z.B. durch Erhitzen des TaC Leuchtkörpers in einer Atmosphäre mit einer hohen CH4-Konzentration. Auf dieser KohlenstoffSchicht wird dann Tantalcarbid abgeschieden. Z.B. kann in einem CVD-Prozess Tantal abgeschieden werden, welches dann entweder durch den umschlossenen Kohlenstoff und/oder von außen durch Erhitzen in einer z.B. CH4 enthaltenden Atmosphäre carburiert wird. Gegenüber der Beschichtung von z.B. Kohlenstofffasern hat dies den Vorteil, dass sich der TaC Leuchtkörper - ausgehend vom Tantal - leichter in beliebigen Formen herstellen lässt.
  • Als elementare Regeln für die Füllung gilt ein Kohlenstoff-Anteil von 0,1 bis 5 mol%, insbesondere bis 2 mol-%. Der Wasserstoff-Anteil liegt bei mindestens dem Kohlenstoff-Anteil, bevorzugt dem Zwei- bis Achtfachen des Kohlenstoff-Anteils. Der Halogen-Anteil liegt bei höchstens dem Halben, insbesondere ein Fünftel bis ein Zwanzigstel, insbesondere bis ein Zehntel, des Kohlenstoff-Anteils. Bevorzugt sollte der Halogen-Anteil höchstens dem Wasserstoffanteil, bevorzugt höchstens dem Halben des Wasserstoffanteils entsprechen. Eine Richtschnur für den Halogenanteil ist 500 bis 5000 ppm. Alle diese Angaben beziehen sich auf einen Kaltfülldruck von 1 bar. Bei Änderungen des Drucks sind die einzelnen Konzentrationsangaben so umzurechnen, dass die absoluten Stoffmengen erhalten bleiben; z.B. halbieren sich alle Konzentrationsangaben in ppm bei einer Verdoppelung des Drucks.
  • Konkrete Untersuchung werden für eine 24 V/100 W Lampe vorgestellt. Die Farbtemperatur ist 3800 K. Sie verwendet einen TaC-Draht (aus carburiertem Tantal gewonnen) mit einem Durchmesser von 125 µm. Er ist einfach gewendelt und zeigt ein deutlich besseres Bruchverhalten als Lampen mit unbeschichteten Abgängen. Die Bruchtests wurden mit einem Schlagpendel durchgeführt.
  • Dagegen ist eine ansonsten gleiche Lampe, die jedoch die üblichen steifen Elektrodenhalter aus Molybdän oder Wolfram verwendet, erheblich bruchanfälliger, weil bei Verwendung von massiven Mo-Haltern die Stellen das Leuchtkörpers nahe des Verbindungspunktes zwischen Mo-Elektrode und der zunächst aus Tantal bestehenden Wendel sich auf so niedriger Temperatur befinden, dass die Karburierung nicht abgeschlossen werden kann, d.h. dass das spröde Subcarbid dort dominiert. In diesem Falle wird man daher die an dem Mo- bzw. W-Halter befestigten Stromzuführungen zum Leuchtkörper mit einer in der oben beschriebenen Art die Karburierung des Leuchtkörpers unterbindenden Schicht überziehen, so dass an dieser Stelle kein Subcarbid entstehen kann, siehe Figur 4. Lediglich im Übergangsbereich zwischen dem beschichteten und dem unbeschichteten Teil tritt in geringen Maß Subcarbid auf. Allerdings wird die gesamte Bauform damit recht aufwendig.
  • Hinzu kommt, dass die Elektroden, d.h. massiven Stromzuführungen aus meist Molybdän oder Wolfram, während des Lampenbetriebs langsam Kohlenstoff aus der Gasphase aufnehmen und somit als "Getter" für Kohlenstoff wirken, zumindest in den heißeren Bereichen nahe der Befestigung des Leuchtkörpers. Dadurch wird der Kreisprozess in der Lampe gestört; eine Rückführung von Kohlenstoff zum Leuchtkörper ist nicht mehr möglich. Um dies zu vermeiden bzw. die Kohlenstoffaufnahme wenigstens zu verzögern, empfiehlt es sich in den meisten Fällen, bei Verwendung dieser Konstruktion die Elektrode zumindest im Bereich höherer Temperaturen selber mit einer die Karburierung unterbindenden Schicht zu schützen. Z.B. können die Elektroden mit einer Schicht aus den oben genannten Metallen Rhenium, Osmium, Ruthenium, oder Iridium beschichtet werden. Alternativen stellen die Beschichtungen der Elektroden mit z.B. Hafniumborid, Zirkoniumborid und Niobborid dar. Da z.B. Molybdänborid stabiler ist als Molybdäncarbid, können die Elektroden durch Borierung von außen her passiviert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Beschichtung der Mo- oder W-Elektroden mit Nitriden wie Hafniumnitrid, Zirkoniumnitrid, Niobnitrid; diese Verbindungen werden zwar während der Carburierung bzw. im Lampenbetrieb langsam in Carbide umgewandelt, die dafür benötigte Zeit ist jedoch bei hinreichend dick gewählter Schichtdicke hinreichend groß. Auch eine vollständige Auslegung der massiven Stromzuführungen aus einem der genannten Metalle ist möglich.
  • Mit Beschichtung versehene Leuchtkörper eignen sich für den Transport der Lampe unter üblichen Bedingungen. Bei anderen Konzepten ist der Leuchtkörper so bruchempfindlich, dass für den Transport der Lampe besondere Maßnahmen ergriffen werden müssten.
  • Das Verwerfen des Leuchtkörpers reduziert sich, je kürzer die Wendelabgänge gewählt werden. Ursache des Verwerfens ist die Volumenzunahme bei der Carburierung. Diese Zunahme macht sich insbesondere durch eine Zunahme der Länge bemerkbar. Es hat sich gezeigt, dass das störende Verwerfen nicht zu einer Verkippung innerhalb der Windungen des Leuchtkörpers führt, sondern dass der Leuchtkörper als Ganzes seitlich aus der axialen Lage kippt. Die Vermeidung des Verwerfens ist unbedingte Voraussetzung zur Nutzung von Interferenzfiltern auf dem Kolben im Sinne eines IRC-Coating, wie es an sich bekannt ist, siehe EP 765 528 .
  • Der Außendurchmesser bei der zusätzlichen Verwendung einer Hülse entspricht maximal dem Zweifachen des Durchmessers des Drahts des Leuchtkörper. Je dünner die Hülse, desto geringer ist ihr Gewicht.
  • In diesem Sinne versteht es sich von selbst, dass der Überzug möglichst eng anliegend direkt auf der Stromzuführung aufgebracht ist. Eine Beabstandung sowie zusätzliche Einbringung von Masse mittels einer noch in den Überzug eingeschobenen Stützhilfe in Form eines zusätzlichen Drahtes wie in US 3 355 619 ist jedoch nicht ausdrücklich ausgeschlossen. Einerseits kann dieser Zusatzdraht als zusätzliche Stützhilfe wirken. Andererseits können an den Wendelabgängen Zusatzstoffe bzw. der komplette Füllgaszusatz für den Füllgaskreisprozess in fester Form in die Lampe eingebracht werden, z.B. beschichtete Kohlenstofffaser oder Kunststofffaser aus halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen.
  • Für eine Lampe mit einem Durchmesser des Kolbens von 10 mm und einem Leuchtkörper aus TaC besteht eine ganz konkrete Füllung aus folgenden Komponenten: 1 bar (Kaltfülldruck) Kr + 1 % C2H4 + 1 % H2 + 0,05% CH2Br2 . Die Konzentrationsangaben sind mol-%.
  • Auch wenn die Stromzuführungen und der Leuchtkörper integral aus einem Teil gefertigt sind, schließt dies nicht aus, dass das Material der Stromzuführungen Anteile des Metalls oder des Metallcarbids im Leuchtkörper in anderer Stöchiometrie aufweisen kann. Dieser Fall tritt insbesondere dann ein, wenn ein Beschichtungsmaterial wie Rhenium in einen Draht aus anderem Metall wie Tantal eindiffundiert.

Claims (21)

  1. Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper (7) und mit Stromzuführungen (6), die den Leuchtkörper haltern, wobei ein Leuchtkörper (7) zusammen mit einer Füllung in einem Kolben (2) vakuumdicht eingebracht ist, wobei der Leuchtkörper ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt, wobei die Stromzuführungen integral mit dem Leuchtkörper aus einem Draht gefertigt sind, und wobei zumindest ein Teil der Stromzuführung von einer Beschichtung (8) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) auf der Stromzuführung (6) sich bis zu einer Stelle so nahe am Leuchtkörper erstreckt, dass die Temperatur des nicht beschichteten Teils der Stromzuführung bei mindestens 2000 °C oder darüber liegt.
  2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper zumindest an seiner Oberfläche aus Tantalcarbid besteht, und insbesondere ein einfach gewendelter Draht ist.
  3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) aus Quarzglas oder Hartglas mit einem Kolbendurchmesser zwischen 5 mm und 35 mm, bevorzugt zwischen 8 mm und 15 mm, besteht.
  4. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Inertgas, insbesondere Edelgas, ggf. unter Beimengung geringer Mengen Stickstoff, sowie zumindest einen Kohlenwasserstoff, Wasserstoff und zumindest einen Halogenzusatz enthält.
  5. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper (7) ein einfach gewendelter Draht ist, bevorzugt mit einem Durchmesser von 50 bis 300 µm, insbesondere bis 150 µm.
  6. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung maximal 1/4 des Durchmessers des Drahtes beträgt.
  7. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Rhenium oder Osmium oder Iridium oder Ruthenium oder deren Mischungen besteht.
  8. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Borid des Hafniums oder des Zirkoniums oder des Niobs oder des Tantals oder einer Mischung daraus besteht.
  9. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Metallnitrid, insbesondere Hafniumnitrid oder Zirkoniumnitrid oder Tantalnitrid, besteht oder aus einer nichtmetallischen Verbindung, insbesondere aus Bornitrid oder aus Borcarbid oder Siliziumcarbid oder einer Mischung daraus.
  10. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (6) in einer oder zwei Abdichtungsteilen des Kolbens abgedichtet sind, wobei sich die Beschichtung mindestens bis zur Grenzfläche des Abdichtungsteils erstreckt.
  11. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (6) aus Metall, insbesondere Tantal, und der Leuchtkörper aus Metallcarbid, insbesondere Tantalcarbid, besteht, wobei die Stromzuführungen mit einer Beschichtung versehen sind, die dadurch erzielt wurde, dass die Stromzuführungen bis zu einer Stelle so nahe am Leuchtkörper durch eine zuvor durchgeführte chemische Reaktion des Metalls passiviert sind, dass die Temperatur des nicht passivierten Teils bei mindestens 2000 °C oder darüber liegt.
  12. Glühlampe nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Tantalborid oder Tantalnitrid oder einer Mischung daraus besteht.
  13. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung mindestens 1/15 des Durchmessers des Drahtes der Stromzuführung beträgt.
  14. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper (7) aus Tantalcarbid besteht, wobei die Beschichtung aus den Materialien Wolfram oder Molybdän oder Hafnium oder Zirkonium oder Tantal oder Niob oder ggf. deren Karbiden besteht.
  15. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einer ersten Beschichtung besteht, wobei auf der ersten Beschichtung eine zweite Beschichtung oder Umhüllung angebracht ist, die die erste Beschichtung teilweise oder vollständig abdeckt.
  16. Glühlampe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste auf die Stromzuführung aufgetragene Schicht nicht mit dem Material der Stromzuführung reagiert und die zweite mit der Füllung in Berührung stehende Schicht nicht mit der Füllung reagiert und das Material der beiden Schichten nicht miteinander reagiert und zumindest während der Zeitdauer der Carburierung nicht ineinander diffundiert.
  17. Glühlampe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt auf die Stromzuführung aufgetragene erste Schicht aus Zirkoniumnitrid oder Hafniumnitrid besteht und die zweite mit der Füllung in Kontakt stehende Schicht aus Rhenium oder Osmium besteht.
  18. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung zum Leuchtkörper an einer weiteren, z.B. aus W oder Mo, bestehenden Stromzuführung erheblich größeren Durchmessers, der sog. Elektrode, befestigt ist, wobei die Stromzuführungen zum Leuchtkörper über ihre ganze Länge oder nur teilweise in den heißeren Bereichen nahe der Befestigung des Leuchtkörpers in einer in den vorangegangenen Ansprüchen beschriebenen Art beschichtet sind.
  19. Glühlampe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode an der Oberfläche mit Rhenium oder Osmium oder Ruthenium oder Iridium beschichtet ist.
  20. Glühlampe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode an der Oberfläche mit Boriden wie z.B. Hafniumborid oder Niobborid oder Zirkoniumborid oder Nitriden wie Hafniumnitrid, Niobnitrid oder Zirkoniumnitrid beschichtet ist.
  21. Glühlampe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode an der Oberfläche passiviert ist, insbesondere durch Borierung.
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