EP1805785A2 - Glühlampe mit einem leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige metallverbindung enthält - Google Patents

Glühlampe mit einem leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige metallverbindung enthält

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Publication number
EP1805785A2
EP1805785A2 EP05803936A EP05803936A EP1805785A2 EP 1805785 A2 EP1805785 A2 EP 1805785A2 EP 05803936 A EP05803936 A EP 05803936A EP 05803936 A EP05803936 A EP 05803936A EP 1805785 A2 EP1805785 A2 EP 1805785A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon
hydrogen
incandescent lamp
sink
lamp according
Prior art date
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Granted
Application number
EP05803936A
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English (en)
French (fr)
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EP1805785B1 (de
Inventor
Axel Bunk
Matthias Damm
Georg Rosenbauer
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/52—Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel

Definitions

  • Incandescent lamp with a luminous body which contains a sharktempera ⁇ turbe constant compound
  • the invention is based on an incandescent lamp with a luminous body which contains a highly temperature-resistant metal compound, according to the preamble of claim 1.
  • incandescent lamps with a carbide-containing luminous body in particular the invention relates to halogen incandescent lamps which are ei - Have a luminous body of TaC, or the luminous body contains TaC as Bestand ⁇ part or coating.
  • a common method of solving the problem of preventing vaporization of filament material is by using circular processes.
  • the filling gas a further chemical substance is added, which reacts in colder areas with the evaporated material to a relatively volatile compound, which does not deposit on the bulb wall.
  • This compound is transported in the direction of the concentration gradient, namely high concentration near the bulb wall, low concentration near the filament, in the direction of the luminous body.
  • the material of the filament is again attached to this.
  • the evaporating from the tungsten filament connects at lower temperatures near the bulb wall to form tungsten halides which are volatile at temperatures above about 200 0 C and is not deposited on the benwand Kol ⁇ .
  • tungsten halides which are volatile at temperatures above about 200 0 C and is not deposited on the benwand Kol ⁇ .
  • the tungsten halide compounds are transported back by diffusion and possibly also convection to the hot filament, where they decompose.
  • the freed tungsten is again attached to the filament.
  • the tungsten i.allg. not transported back to the same place from which it has evaporated but deposited at a location of different temperature, ie the cycle is not regenerative. An exception is the fluorine cycle.
  • the gaseous carbon formed upon decomposition of the TaC is transported in the direction of the piston wall, where it reacts with hydrogen to form hydrocarbons such as methane. These hydrocarbons are transported back to the hot filament, where they decompose again. The carbon is released again and can attach to the filament. However, the hydrocarbons already decompose below 1000 K at low temperatures, so that the recycling of carbon does not take place in a targeted manner to the hottest points of the luminous element.
  • the evaporation from the luminous body is relatively strong and the compound carrying the cyclic process is stable only at very low temperatures, such as the hydrocarbons in the last example, the luminous body will be rapidly destroyed, because it will rapidly adhere to the evaporating material such as carbon in the last example depleted.
  • the carbon is relatively quickly from the hei ⁇ ßesten points of the filament to the colder places of the filament or the outlets transported to the luminous body, which can also cause problems, for example by Windungs gleich. Only a very small proportion of the transported back carbon reaches the hottest point of the helix (very low degree of regeneration).
  • the back reaction of the carbon with the hydrogen to hydrocarbons proceeds in any case only with a relatively large excess of hydrogen sufficiently fast, so that a blackening of the piston is avoided.
  • WO-A 03/075315 describes the generation of the luminous element from a depot. From the depot continuously evaporates a chemical substance, which supplies the luminous body that substance to which it is depleted again. For example, it describes how a TaC luminous body is regenerated from a polymer impregnated with an organic compound (eg acetone). In the process, the gas phase is permanently supplied with a chemical compound, which also contains carbon. In this case, carbon is provided continuously, which can replace the evaporated by the filament carbon again.
  • the disadvantage here is that the composition of the gas phase and also of the luminous element changes continuously due to the permanently supplied chemical compound; a lamp operation under stable conditions is hardly possible.
  • the concentration of carbon in the gas phase is constantly increased, which eventually leads to the deposition of carbon in inappropriate places such as the ends of the luminous body or finally the bulb wall.
  • An enrichment of carbon in the luminous body is not desirable because it changes the properties of the filament continuously.
  • An enrichment of hydrogen in the gas phase leads by increasing the heat conduction to an increasing cooling of the filament.
  • an incandescent lamp with a luminous body which contains a high-temperature-resistant metal compound, and in particular a carbide-containing luminous body, or a metal, according to the preamble of
  • high temperature resistant metal compound means compounds whose melting point is near the melting point of tungsten, sometimes even higher.
  • the material of the luminous body is preferably TaC or Ta 2 C.
  • carbides of Hf, Nb or Zr and, moreover, alloys of these carbides are suitable.
  • nitrides or borides of such metals Common to these compounds is the property that a luminous body made of this material becomes depleted in operation on at least one element.
  • the principle described below is equally applicable to filaments of metals.
  • metal compound used below is therefore not to be understood as limiting, but by way of example. The statements made therein are analogously applicable to metals.
  • a luminous element is operated at high temperatures, depending on the nature of the material of the luminous element, the material or components of the material evaporate.
  • the evaporated material or its constituents are replaced by e.g. Convection, diffusion or thermal diffusion removed and deposit elsewhere in the lamp, e.g. on the piston wall or frame parts.
  • the light-emitting body is destroyed. Due to the material which separates on the bulb wall, the transmission of the light is greatly reduced.
  • the task consists in minimizing or reversing evaporation by means of suitable measures.
  • the concentration of the evaporating component is adjusted from the outside that in the ideal case evaporation and sublimation keep the equilibrium and the filament is thus neither depleted nor enriched in the component in question.
  • the adjustment of the required concentration over the luminous element is to be realized by a continuous transport of a substance containing the component in question from a source into a sink. Due to the continuous deposition of the material supplied from the source, a change in the composition of the gas phase is avoided and an operation of the luminous element under constant conditions is made possible.
  • a lamp with TaC filament be ⁇ the source of a solid, or liquid, hydrocarbon, which is introduced into the lamp so that above the source Mate ⁇ rial builds up a certain vapor pressure of gaseous hydrocarbon.
  • This hydrocarbon is transported by diffusion or convection into the inside of the lamella, where it decomposes near the luminescent body at higher temperatures.
  • the luminous body is thus in a carbon-enriched atmosphere; a decomposition of the filament is thereby prevented.
  • the luminous body does not emit carbon to the environment, nor is carbon enriched in it. In other words, the luminous body has an equilibrium between carbon deposition and carbon evaporation. At lower temperatures near the bulb wall, the carbon reacts again Back to hydrogen hydrocarbons.
  • the hydrocarbon decomposes with the deposition of solid carbon (soot).
  • This process corresponds approximately to the cracking of hydrocarbons known from industrial chemistry on suitable catalysts, in which case the deposition of carbon on the catalyst is desired, in contrast to the reaction regime in plants of the chemical industry.
  • carbon continuously exits from one source and is re-deposited in a sink.
  • the filament of the lamp is thus neither enriched in carbon, nor depleted of carbon;
  • the carbon concentration in the gas phase is kept constant.
  • the hydrogen can preferably be used analogously.
  • the permeable quartz piston wall acts at high temperatures. At lower temperatures, the resulting hydrogen can be trapped by iodine (reaction to hydrogen iodide);
  • the resulting hydrogen iodide is not critical in terms of its effect on the maintenance of the lamp, because it does not interfere with the chemistry of the metal carbide nor changes the physical properties of the filling gas (in particular the thermal conductivity).
  • Another way of attaching the released hydrogen i.e., a sink to hydrogen
  • metals such as e.g. Zirconium or hafnium or niobium or tantalum, which "getter" hydrogen at suitable temperatures.
  • the transport processes described in the last paragraphs can still be superimposed by one or more cycle processes. If, for example, carbon in a lamp with a luminous body of TaC is constantly transported from a source to a sink, in some cases in the form of hydrocarbons, then a tantalum-halogen cyclic process can be superimposed on this transport process by adding a halogen-containing compound which prevents the tantalum evaporated by the luminous body from depositing on the bulb wall and at least partially transports it back to the luminous body, as described, for example, in the still unpublished application DE-A-103 56 651.1. These are expressly referred to.
  • a TaC lamp to superimpose a carbon cycle process on the described permanent transport of carbon from a source into a sink, for example a CH, C-halogen, CS or CN cycle process as in the application DE-Az 103 56 651.1 described be ⁇ .
  • the sinking metals may be e.g. in the form of wires or plates welded to the frame or the power supply, or wound as a coating coil directly around the power supply, or e.g. in the form of wires to be squeezed directly.
  • catalytically active metals it is essential that the surface of these metals be sufficiently large, since the surface is continuously covered with carbon ("poisoning" of the catalyst) in order to obtain the effectiveness of the catalyst the coating of helical outlets or power supply lines with metals serving as drain is a further embodiment.
  • elemental carbon is used as the source of carbon.
  • This can be present, for example, in the form of carbon pressings, graphite fibers or carbon black deposited on a substrate, diamine in the form of DLC or graphite.
  • the carbon is held at a "middle" temperature, which must be just so high that the resulting vapor pressure of the carbon at the location of the hot luminous body leads to a carbon partial pressure which is approximately equal to the carbon Equilibrium vapor pressure over the tantalum carbide corresponds.
  • the carbon If the carbon reaches the piston wall in colder regions, it reacts with hydrogen or else with halogens to form (optionally halogenated) hydrocarbons; This prevents the deposition of the carbon on the piston wall.
  • the decomposition of the hydrocarbon then takes place on a catalyst, in which case the carbon deposits on the surface of the catalyst and the hydrogen is liberated again.
  • there is no need for a sink for the hydrogen or, if appropriate, the halogen which in fact only prevent the deposition of the carbon on the piston wall and transport the carbon bound in the form of hydrocarbon to the catalyst.
  • the hydrogen or optionally the halogen thus serves only as a means of transport to transport the carbon and is not consumed.
  • carbon is transported from the carbon source (carbon compact, graphite fibers, diamond such as DLC, graphite layers, carbon black, etc.) to the carbon sink (for example wire made of nickel, iron, molybdenum), where it settles which separates.
  • carbon source carbon compact, graphite fibers, diamond such as DLC, graphite layers, carbon black, etc.
  • the carbon sink for example wire made of nickel, iron, molybdenum
  • the carbon is deposited on single turns of the metal carbide filament designed as a helix.
  • the carbon deposition takes place on the outer turns of the coil at lower temperatures than in the middle of the filament. Since the vapor pressure over pure carbon is greater than the carbon vapor pressure over tantalum carbide, the source of pure carbon is attached at lower temperatures than in the hot helical center. This is intended to set the carbon equilibrium vapor pressure above the middle of the hot filament as far as possible and to ensure that no gradient of the carbon partial pressure driving the carbon transport is produced via the filament.
  • the last-mentioned procedure is also of use for circumventing problems with regard to the relatively low impact strength of the tantalum carbide during transport of the lamps to the customer.
  • One option for circumventing this problem is to complete the carburization only after the lamps have been transported to the customer during the firing process, and initially to leave at least one tantalum core in the luminous body made of TaC.
  • the hydrogen can be replaced by the hydrogen Use of iodine near the bulb wall again as iodine hydrogen ab ⁇ catch and stabilized.
  • Another way to realize a carbon source is to use a tantalum carbide coated carbon fiber.
  • the carbon diffuses through the tantalum carbide layer; a depletion of the tantalum carbide layer of carbon is thus avoided.
  • the carbon released thereby into the gas space leads to a rapid blackening of the piston wall if no countermeasures are taken.
  • blackening of the bulb can be prevented if the bulb temperatures are not too high.
  • very large amounts of hydrogen are needed to "trap" the carbon as completely as possible before it is deposited on the bulb wall, which can be avoided by holding the hydrocarbon at a catalyst maintained at a suitable temperature, eg a nickel wire. Iron, etc.
  • the carbon deposits on the nickel wire, while the hydrogen is released again and is available for reaction with further carbon, so that the hydrogen merely serves as a "vehicle” for transporting carbon from the luminous body by formation Catch of hydrocarbon and to carbon sink (eg wire nickel, molybdenum, ...) to transport.
  • the hydrogen merely serves as a "vehicle” for transporting carbon from the luminous body by formation Catch of hydrocarbon and to carbon sink (eg wire nickel, molybdenum, ...) to transport.
  • no hydrogen is consumed in this transport mechanism, ie it is possible with a relatively small amount of hydrogen.
  • a luminous element eg consists of a metal carbide such as tantalum carbide or hafnium carbide
  • a layer of carbon is deposited on the surface of the filament of metal carbide.
  • a layer of a metal carbide is then applied again. If carbon from the outer metal carbide layer evaporates during lamp operation, then carbon immediately diffuses from the inside of the enclosed carbon layer and prevents the outer metal carbide layer from becoming poor in carbon.
  • the functioning of those of a metal carbide-coated carbon fiber is quite similar.
  • the application of the carbon coating takes place, for example, according to a CVD method in the column lamp, for example by decomposition of Me ⁇ than (1 bar pressure) at a temperature of about 2,500 K on the luminous body.
  • the deposition of the metal carbide outer layer is carried out in the CVD process, for example, by simultaneous thermal decomposition of metal halides such as tantalum halide and methane; Of course, it is also possible to use other metal compounds or hydrocarbons as precursor.
  • the metal carbide can then be deposited directly on the surface of the luminous body, eg according to TaCl 5 + CH 4 + x H 2 -> TaC + 5 HCl + (x - V 2 ) H 2 .
  • the hydrogen serves to avoid precipitation of soot. It is also possible to deposit only the metal on the carbon surface of the luminous element and then bring it to reaction (ie carburization) in an atmosphere containing, for example, methane, carburizing from the outer carbon-containing atmosphere and from the inside from the carbon layer starts.
  • a disadvantage of this method is that the change in volume occurring during the conversion of the metal into metal carbide causes relatively high layer stresses. Therefore, a simultaneous deposition of the metal and the carbon in the stoichiometric ratio is advantageous.
  • the materials of the inner material (e.g., wire) of metal carbide and the outer layer of metal carbide need not necessarily be identical.
  • the inner wire may be tantalum carbide
  • the outer layer applied to the carbon layer may be hafnium carbide or HfC-4TaC alloy.
  • HfC or the alloy HfC-4TaC has lower vapor pressures than pure tantalum carbide.
  • hafnium is significantly more expensive than tantalum, the amount of hafnium used can be significantly reduced in this way.
  • sintered carbonaceous materials are contemplated, e.g. in US 3,405,328.
  • metal carbides such as those produced by sintering processes at high temperatures and high pressures in autoclaves, are used. Tantalum carbide can be made with dissolved carbon forth. These materials, which are intended to serve as the filament material, then contain significantly more carbon than can be expected according to the stoichiometry of the TaC.
  • the patent also describes the use of mixtures of various carbides in order to increase the impact strength of the filament.
  • carbon sinks include metals such as WoFram, tantalum, zirconium, etc., which form carbides at suitable temperatures.
  • the operating temperature of these metals depends in particular on the flow of carbon coming from the luminous element; are common in the region between 1800 and 2500 0 C 0 C.
  • hydrogen is employed in the use of these metals temperatures to the carbon cloth to prevent them from depositing on the bulb wall and to the carbon transport material sink. If the hydrogen were to be dispensed with, carbon transported by the luminous body would precipitate on the bulb wall if it does not accidentally strike the carbide-forming metal on its way from the luminous body. With additional use of hydrogen, the carbon first reacts with the hydrogen to form a hydrocarbon, such as methane, which then decomposes back to the carbide-forming metal to transfer the carbon to the carbide-forming metal and release the hydrogen.
  • a hydrocarbon such as methane
  • catalysts for the decomposition of hydrocarbons are aluminum, molybdenum or magnesium silicates.
  • tantalum carbide or other carbides. If, for example, a rod of tantalum carbide, which is not flowed through by the current, is brought to a temperature corresponding to the luminous body, the appropriate equilibrium vapor pressure on carbon occurs above the tantalum carbide, in which vaporization or deposition of carbon no longer takes place on the luminous body , This can be achieved, for example, by introducing a bar of tantalum carbide inside the axis of a spiral of tantalum carbide (analogous to a coil with internal feedback, as used for IRC lamps, but with the metal carbide lamps The winding of the current-carrying TaC wire coil must not touch the non-live rod made of TaC in order to avoid a short-circuit.
  • the rod must be at virtually the same temperature as the adjacent turns. In no case may it be significantly colder than the adjacent windings, ie the heat dissipation along the rod must be limited, for example by selecting a sufficiently small diameter.
  • an equilibrium vapor pressure of carbon is established above the rod.
  • the carbon becomes in the radially outward concentration gradient at the current carrying TaC Wendeln transported over to the piston wall.
  • the individual turns of the TaC helix are therefore in a constant flow of carbon, the carbon partial pressure corresponding to the equilibrium pressure across the vanes.
  • the carbon transported to the outside reacts again near the piston wall with hydrogen to form hydrocarbons, which then decompose on a suitable catalyst as described above while separating carbon and releasing hydrogen.
  • the advantage of using a TaC rod on the helix axis, the temperature profile of which as closely as possible corresponds to that of the helix, is that then the carbon equilibrium pressures, which prevent decomposition of the luminous body, are automatically adjusted at the individual windings of the TaC helix.
  • carbon and fluorine-containing polymers can be used, as obtained, for example, in the polymerization of tetrafluoroethylene C 2 F 4. disposal (eg polytetrafluoroethylene PTFE 1 brand name "Teflon" from the company. DUPONT).
  • disposal eg polytetrafluoroethylene PTFE 1 brand name "Teflon” from the company. DUPONT.
  • Gas ⁇ phase compounds such as CF 4, C 2 F 4, etc.
  • the advantage here is that the carbon is released particularly or practically exclusively at points of high temperature, so that the carbon is transported in a targeted manner to sites of high luminous body temperature
  • relatively low fluxes of carbon or relatively low partial pressures of gaseous CF compounds are used, and the liberated fluorine reacts on the wall to form gaseous SiF 4 , which then barely intervenes in the reaction process and does not react like hydrogen. because of increased heat conduction negative impact on the effi ⁇ ciency of the lamp kt.
  • the carbon released can again - unless it is consumed in the wall reaction with CO formation - first bound by means of a transport partner such as chlorine in colder areas and then decomposed on a hot metal wire, the carbon is deposited again and the chlorine is released (carbon sink). Since two F atoms release an O atom in the wall reaction and a C atom in polytetrafluoroethylene in about two F atoms, the carbon is largely converted into CO by the oxygen released in the wall reaction.
  • a transport partner such as chlorine in colder areas and then decomposed on a hot metal wire
  • the present invention is particularly suitable for low-voltage lamps with a voltage of at most 50 V, because the necessary light body 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 particularly preferably used for lamps squeezed on one side, since here the luminous element can be kept relatively short, which also reduces the susceptibility to breakage. But the application to double-sided squeezed lamps and lamps for mains voltage operation is possible.
  • the term rod as used herein means a means formed as a solid rod or, in particular, a thin wire.
  • the described concept can be applied in a variety of ways to special chemical transport systems. In a specific embodiment, it is used for a design of a carbon-sulfur cycle. As described in DE Az 10358262.2 CS decomposes only at temperatures well above 3000 K, the degree of dissociation of CS increases strongly with increasing temperature.
  • the CS cycle is suitable for transporting the carbon back to the hottest point along the helix, thus slowing down or preventing the formation of "hot spots.”
  • the carbon transporting in the high-temperature range CS at temperatures below about 2200 K dispropor ⁇ tioned according to 2 CS -> CS 2 + C, wherein carbon is deposited on the frame or at the Wen ⁇ delab Spotifyn.
  • CS 2 by diffusion or by When the flow is transported back to places of higher temperature, it decomposes into CS and sulfur at T> 2200 K.
  • the sulfur acts as a decarburizing agent on the metal carbide luminous element, and it is therefore advantageous to have the luminous body or its outlets in the range above 2200
  • the sulfur atoms liberated in this temperature range then react with the carbon f to CS, decarburization of the metal carbide filament is avoided. Over the life of this carbon coating is slowly consumed.
  • carbon is liberated and deposited at lower temperatures below about 2200 K during the disproportionation of the CS.
  • the CS system transports the carbon from places of higher temperature with T> 2200K to places of lower temperature with T ⁇ 2200 K. Without the reservoir of carbon for T> 2200 K (source) or the deposition of carbon at T ⁇ 2200 K (sink), it is difficult to achieve stationary operating conditions.
  • the regenerative effect of the fluorine cycle process is based on the fact that tungsten fluorides decompose only at temperatures above approximately 2500 K, with the tungsten preferably being redeposited at the hottest points.
  • a major difficulty in using fluorine is that fluorine reacts on the bulb wall to form silicium tetrafluoride SiF 4 , with additional oxygen being released. The fluorine bound in the SiF 4 is no longer available for further reaction in the halogen cycle. Therefore, several possibilities for passivation of the piston wall are mentioned in the literature, cf. eg Schröder, PHILIPS Techn. Rundschau 1963/64, p. 359 on the use of Al 2 O 3 . Another possibility arises when using the concept discussed here.
  • High molecular compounds of carbon and fluorine such as polytetrafluoroethylene, are used as fluorine source for this purpose. These compounds decompose slowly at higher temperatures, forming low molecular weight carbon and fluorine containing species in the gas phase. The liberated fluorine reacts on tungsten surfaces in the temperature range between about 1600K and 2400K to form tungsten fluorides. Frame parts or filament outlets made of tungsten present at appropriate temperatures are therefore preferably made thickened in order to be able to provide sufficiently large WoIfram for the cyclic process. The tungsten fluorides thus formed are transported to higher temperature sites where they preferentially decompose at higher temperature sites. Thus, tungsten is deliberately transported back to the hottest places of the filament.
  • the tungsten fluorides formed at the tungsten reservoir do not become convective or diffuse completely transported in the direction of the luminous element or not fully implemented there; a part is transported in the direction of the piston wall. There, the tungsten fluorides decompose at least in part, releasing fluorine, which reacts with the wall in the manner described, and tungsten. In order to avoid blackening of the lamp bulb, the simultaneous use of bromine is recommended. As a result, tungsten (oxy) bromides can be formed and the bulb wall is kept clean.
  • the tungsten oxybromides decompose at temperatures far below those of the filament. That is, the tungsten bound in them is mainly deposited on the frame or the spiral outlets. This superimposed W-Br (-O) cycle process is thus not regenerative, it only serves to keep the lamp bulb clear.
  • the basic principle described here - the continuous transport of a substance from a source into a sink - can also be applied to the means of transport, which is used to keep the piston clear and to return material to the filament.
  • the situation may arise that either the transport agent is continuously removed by reaction or absorption with parts of the frame or the piston wall of the gas phase (sink), or that it is continuously introduced by desorption or chemical reaction in the gas phase (source).
  • the transport agent is continuously removed by reaction or absorption with parts of the frame or the piston wall of the gas phase (sink), or that it is continuously introduced by desorption or chemical reaction in the gas phase (source).
  • a sink occurs a source and additionally introduce a sink in the lamp when a source occurs.
  • the continuous transport of hydrogen from a source to a sink is treated.
  • the source of hydrogen may be hydrogen stored in the luminous element (metal carbide), hydrogen taken up in the supply lines or getters (possibly bound as metal hydride, eg tantalum hydride).
  • hydrogen can be enriched in the lamp by the hydrogen partial pressure and the temperature distribution in the luminous element and the supply lines.
  • other temperature distributions prevail than when carburizing.
  • the lamp temperature in lamp operation is about 3300 K - 3600 K higher than when carburizing (2800 K - 3100 K);
  • higher hydrogen partial pressures can be set during carburization. Therefore, when carburizing at a suitable temperature located parts of the frame, for example, tantalum or niobium can absorb hydrogen.
  • the second example relates to the use of sulfur in a lamp with a metal carbide luminous element and an integral design of filaments and filaments, ie filaments and filament outlets are manufactured integrally from a tantalum wire and then the filament is carburized.
  • a metal carbide luminous element ie filaments and filament outlets are manufactured integrally from a tantalum wire and then the filament is carburized.
  • the helical outlets are not completely mitcarburiert, ie here you will find tantalum or Tantalsubcarbid Ta2C.
  • sulfur present in the lamp is converted to the very stable compound tantalum sulfide and the sulfur is thus removed from the gas phase (sink).
  • the the. Gas phase deprived sulfur must be constantly replenished (source) to maintain a CS cycle process.
  • FIG. 1 shows an incandescent lamp with carbide filament according to a abroads ⁇ example
  • FIG. 2 shows an incandescent lamp with a carbide luminous element according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 to 5 an incandescent lamp with carbide filament according to other Aust ⁇ insurance examples.
  • FIG. 1 shows a bulb 1 pinched on one side with a bulb made of quartz glass 2, a pinch seal 3, and internal current leads 10 which connect foils 4 in the pinch seal to a luminous element 7.
  • the filament 7 is a simple coiled, axially arranged wire of TaC, the ends 14 are uncoiled and projecting transversely to the lamp axis.
  • the outer leads 5 are attached to the outside of the foils 4.
  • the design described here can also be applied, for example, to lamps with luminous bodies of other metal carbides, e.g. Hafnium carbide, zirconium carbide, niobium carbide.
  • metal carbides e.g. Hafnium carbide, zirconium carbide, niobium carbide.
  • alloys of different carbides is possible.
  • borides or nitrides in particular of rhenium nitride or osmium boride, is possible.
  • the lamp preferably uses a luminous body made of tantalum carbide, which preferably consists of a single-coiled wire.
  • a luminous body made of tantalum carbide, which preferably consists of a single-coiled wire.
  • the piston is typically 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.
  • This is typically a hydrocarbon, hydrogen and a halogen additive.
  • halogen is expedient, irrespective of possible carbon-halogen cycle processes or transport processes, in order to reduce the metals evaporated from the metal carbide filament to the precipitate on the bulb wall and, if possible, to transport it back to the filament.
  • This is a metal-halide cycle such as e.g. described in the application DE-Az 103 56 651.1.
  • the following factor is important: The more the evaporation of carbon from the luminous body can be suppressed, the lower the evaporation of the metallic component, see, for example, US Pat. YES. Coffmann, G.M. Kibler, T.R. Riethof, A.A. Watts: WADD-TR-60-646 Part I (1960).
  • aliphatic hydrocarbons are usually due to the otherwise low melting point only high molecular weight compounds in question (eg, the melting point of C 56 Hn 4 is just below 100 ° C, which is too little for most applications, unless the use of liquid compounds is possible).
  • aromatic hydrocarbons such as, for example, anthracene (melting point 216 0 C), naphthacene (melting point 355 ° C), coronene (melting point 440 0 C), which also have the advantage that considerably per carbon atom less hydrogen in the lamp is registered.
  • the vapor pressure of anthracene is just below the melting point by 50 mbar, at 145 0 C, slightly above 1 mbar.
  • the suitable temperature for the source is in the range between 12O 0 C and 150 0 C, when the distance between the luminous body located at eg 3400 K and the source is approx.
  • the inert gas eg argon, krypton
  • the inert gas preferably contains 2 mbar - 20 mbar hydrogen H 2 , 0.5 mbar CH 2 Br 2 and 2 mbar - 20 mbar iodine.
  • the bromine is intended to prevent the deposition of tantalum on the flask (see DE-A 103 56 651.1), and the iodine is intended to bind the hydrogen released in the course of the evaporation and decomposition of the anthracene in the form of HJ.
  • HJ here represents a sink for the released hydrogen.
  • Figure 1 shows schematically an example of a possible design of the source and sink for a single-pinched lamp.
  • the source 6 uses as source material a solid hydrocarbon 8 deposited on the end of a wire rod 9, often called a middle holder, of tungsten.
  • the rod 9 is supported by being connected to an additional sheet 11 in the center of the pinch seal 3. For ease of insertion, this can have an outer wire attachment 12, which typically consists of molybdenum.
  • the sink 13 is realized by coating coils 15 on one or both Stromzu ⁇ guides 10. These coils consist for example of nickel wire. This can be located in the inner volume, near the pinch, or even protrude into the pinch, as shown on the right helix 15. In this embodiment, have both source and sink at relatively low temperatures, normally, ben betrie ⁇ below about 500 0 C, such as those found near the bulb wall. With regard to Ein ⁇ bring the use of the power supply lines 10 near the pinch 3 is the easiest. Alternatively, the source at one Stromzu ⁇ leadership 10 and the sink could be attached to the other power supply 10.
  • the end of the middle holder 9 is coated here with the serving as source material hydrocarbon.
  • this embodiment is simple to manufacture, it must be accepted that the transport from the source into the sink takes place mainly at the luminous body 7.
  • the catalyst which is formed here by the sink of nickel wire, in the stationary state in the entire gas phase, even outside the direct path from the source to the sink , an increased concentration of hydrocarbon or carbon.
  • An advantage for the operation is therefore the use of an arrangement as in FIG. 2, where the source 16 consists of a holder 18 made of tungsten which is crimped in the pump tip 17, at whose end facing the filament 7 the source material 19 is seated, namely a hydrocarbon which was precipitated as a solid.
  • the sink is here realized by the lower part 21 of the current supply 22, which is close to the pinch.
  • This part 21 consists of molybdenum, which serves as Kata ⁇ analyzer in the decomposition of hydrocarbons.
  • the upper part 20 of the power supply is integrally formed by the carbide of the filament. The lower parts 21 protrude into the pinch.
  • the luminous element 7 is in the material flow, which forms from the source 16 to the sink 21.
  • the lower part of the inner power supply 22 is made of molybdenum, which is known as molybdenum Catalyst in the decomposition of hydrocarbons and thus acts as a sink.
  • the luminous body 23 consisting of TaC, see FIG. 3, is operated at a temperature between 3300 K and 3600 K.
  • the carbon source 24 is maintained in the temperature range between 2700 K and 3000 K.
  • Hydrogen is added to the inert gas (krypton, argon) in such a way that the partial pressure of the hydrogen is in the range preferably between 2 mbar H 2 and 20 mbar H to avoid the deposition of the carbon on the piston wall and the transport of the carbon to the sink 2 lies. In this case, no hydrogen is released from the source, so that no sink for hydrogen is needed.
  • the carbon source is at such a high temperature that there is no direct reaction with the hydrogen.
  • a sink for the decomposition of the hydrocarbon is, for example, again at 400 0 C - 800 0 C operated wires or plates of nickel or iron or molybdenum, or at temperatures around 500 0 C be ⁇ exaggerated aluminosilicate.
  • FIG. 3 shows a possible geometry for such a lamp.
  • carbon deposition can also take place
  • the current supply is here an integral departure from the helix 23.
  • C fibers can also be wound around the outlet, the depression 26 here being a coating helix of iron coated with platinum It is close to the bruise, so it is appropriate at very high temperatures.
  • FIG. 1 An example of a source arranged on the axis of the luminous element is shown in FIG.
  • the rod 27 has approximately the same temperature profile in the region of the helix 28 as the helix itself.
  • the helix is wound to such an extent that the rod 27 fits snugly into its axis.
  • the depression is again formed by coating helices 26, as in FIG. 3. They consist of molybdenum.
  • the rod 27 is supported by a middle holder 9 similar to FIG. In particular, it can extend into a pump seat 29, see dashed embodiment. As a result, he is better locked.
  • FIG. 5 shows a possible arrangement for a double-sided squeezed lamp 30.
  • the source 31 and the sink 32 on the different sides of the luminous element 33 so that the luminous element 33 is in the transport stream from the source due to the geometric arrangement 31 to the sink 32 is located.
  • the bruises are designated 39.
  • the source 31 is a carbon deposit (soot) or a carbon fiber wound around the power supply 34.
  • the sink 32 is the part of a power supply, which is made of molybdenum and is arranged away from the luminous body 33. This part is connected via a weld point 35 to the outlet 36 of the luminous body made of TaC.
  • the entire temperature spectrum is available on both sides of the luminous element 33 in the axial direction, so that, for example, the C source at relatively high temperatures in the vicinity of the filament and the sink at lower temperatures farther away from the filament on the other side can be arranged.
  • the molybdenum outflow acts as a sink.
  • the filament material is a metal or a metal compound is suitable, the melting point in the vicinity of the melting point of tungsten, preferably at least 3000 0 C, and more preferably above that of tungsten.
  • tungsten, rhenium, osmium and tantalum are particularly suitable.

Landscapes

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  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)

Description

Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtempera¬ turbeständige Metallverbindung enthält
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hoch¬ temperaturbeständige Metallverbindung enthält, gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Glühlampen mit einem carbidhal- tigen Leuchtkörper, insbesondere betrifft die Erfindung Halogenglühlampen, die ei- nen Leuchtkörper aus TaC aufweisen, oder dessen Leuchtkörper TaC als Bestand¬ teil oder Beschichtung enthält.
Stand der Technik
Aus vielen Schriften ist eine Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hoch¬ temperaturbeständige Metallverbindung enthält bekannt. Ein bisher noch unge¬ löstes Problem ist die stark einschränkte Lebensdauer. Eine in WO-A 01/15206 dar- gestellte Möglichkeit besteht darin, den Leuchtkörper mit einem separaten Gestell zur Halterung zu verbinden.
Eine weit verbreitete Methode zur Lösung des Problems, ein Abdampfen von Material des Leuchtkörpers zu verhindern, besteht in der Verwendung von Kreisprozessen. Dabei wird dem Füllgas eine weitere chemische Substanz zugefügt, welche in kälteren Bereichen mit dem abgedampften Material zu einer relativ leicht flüchtigen Verbindung reagiert, welche sich nicht an der Kolbenwand abscheidet. Diese Verbindung wird im sich aufbauenden Kon¬ zentrationsgradienten - nämlich hohe Konzentration nahe der Kolbenwand, niedrige Konzentration nahe des Leuchtkörpers - in Richtung des Leuchtkör- pers transportiert. Bei den hohen Temperaturen nahe des Leuchtkörpers zersetzt sie sich unter Zerfall in das Material des Leuchtkörpers und der zu¬ gegebenen chemischen Substanz; das Material des Leuchtkörpers wird wie¬ der an diesen angelagert. Beispiele:
(a) Wolfram-Halogen-Kreisprozess
Das vom Leuchtkörper abdampfende Wolfram verbindet sich bei niedrigeren Temperaturen nahe der Kolbenwand zu Wolframhalogeniden, welche bei Temperaturen oberhalb ca. 2000C flüchtig sind und sich nicht an der Kol¬ benwand abscheiden. Dadurch wird ein Ausfall von Wolfram an der Kolben¬ wand verhindert. Die Wolframhalogenidverbindungen werden durch Diffusion und ggf. auch Konvektion zum heißen Leuchtkörper zurücktransportiert, wo sie sich zersetzen. Das dabei frei gewordene Wolfram wird wieder an den Leuchtkörper angelagert. Allerdings wird das Wolfram i.allg. nicht an dieselbe Stelle zurücktransportiert, von der es abgedampft ist, sondern an einer Stelle anderer Temperatur abgelagert, d.h. der Kreisprozess ist nicht regenerativ. Eine Ausnahme ist der Fluor-Kreisprozess.
(b) Kohlenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess bei TaC Lampen
Der bei Zersetzung des TaC entstehende gasförmige Kohlenstoff wird in Richtung der Kolbenwand transportiert, wo er mit Wasserstoff zu Kohlenwas¬ serstoffen wie Methan reagiert. Diese Kohlenwasserstoffe werden zum hei¬ ßen Leuchtkörper zurück transportiert, wo sie sich wieder zersetzen. Der Kohlenstoff wird dabei wieder freigesetzt und kann sich an den Leuchtkörper anlagern. Allerdings zersetzen sich die Kohlenwasserstoffe bei niedrigen Temperaturen bereits unter 1000 K, so dass die Rückführung von Kohlen¬ stoff nicht gezielt zu den heißesten Stellen des Leuchtkörpers erfolgt.
Wenn wie im zuletzt beschriebenen Beispiel die Abdampfung vom Leucht¬ körper relativ stark ist und die den Kreisprozess tragende Verbindung nur bei sehr niedrigen Temperaturen stabil ist wie die Kohlenwasserstoffe im letzten Beispiel, so kommt es zu einer raschen Zerstörung des Leuchtkörpers, weil dieser schnell an dem abdampfenden Material wie Kohlenstoff im letzten Beispiel verarmt. Insgesamt wird der Kohlenstoff relativ schnell von den hei¬ ßesten Stellen des Leuchtkörpers zu den kälteren Stellen des Leuchtkörpers bzw. den Abgängen zum Leuchtkörper transportiert, was ebenfalls z.B. durch Windungsschluss Probleme bereiten kann. Nur ein sehr geringer Anteil des zurücktransportierten Kohlenstoffs erreicht noch die heißeste Stelle der Wendel (sehr geringer Regenerationsgrad). Zudem verläuft die Rückreaktion des Kohlenstoffs mit dem Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen ohnehin nur bei einem relativ großen Wasserstoffüberschuss hinreichend schnell, so dass eine Schwärzung des Kolbens vermieden wird.
Zusammenfassend ist in solchen Fällen wie bei der TaC Lampe der Gebrauch eines Kreisprozesses, bei dem:
(a) erstens das Material vom Leuchtkörper relativ schnell abdampft bzw. ab¬ transportiert wird, und
(b) zweitens das abgedampfte Material nur bei sehr niedrigen Temperaturen eine chemische Verbindung eingeht, für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend, weil wegen der nur sehr gerin¬ gen Rückführung von Material zur den Stellen, von denen es abtransportiert wurde, der Leuchtkörper schnell zerstört wird.
Als Möglichkeit zur Lösung des Problems wird in WO-A 03/075315 die Re¬ generation des Leuchtkörpers aus einem Depot heraus beschrieben. Aus dem Depot heraus verdampft fortlaufend eine chemische Substanz, die dem Leuchtkörper diejenige Substanz, an der er verarmt ist, wieder zuführt. Z.B. wird beschrieben, wie ein TaC Leuchtkörper aus einem mit einer organischen Verbindung (z.B. Aceton) getränktem Polymer regeneriert wird. Dabei wird der Gasphase permanent eine chemische_ Verbindung, die u.a. auch Koh- lenstoff enthält, zugeführt; dabei wird fortlaufend Kohlenstoff zur Verfügung gestellt, welcher den vom Leuchtkörper abgedampften Kohlenstoff wieder ersetzen kann. Nachteilig dabei ist, dass sich durch die permanent zugeführ¬ te chemische Verbindung die Zusammensetzung der Gasphase und auch des Leuchtkörpers fortlaufend ändert; ein Lampenbetrieb bei stabilen Bedin- gungen ist so kaum möglich. Die Konzentration an Kohlenstoff in der Gas- phase wird ständig erhöht, was schließlich zur Abscheidung von Kohlenstoff an ungeeigneten Orten wie den Enden des Leuchtkörpers oder schließlich auch der Kolbenwand führt. Auch eine Anreicherung an Kohlenstoff im Leuchtkörper ist nicht wünschenswert, weil sich dabei die Eigenschaften des Leuchtkörpers fortlaufend verändern. Eine Anreicherung von Wasserstoff in der Gasphase führt durch eine Erhöhung der Wärmeleitung zu einer zuneh¬ menden Kühlung des Leuchtkörpers.
Zusammenfassend ist ein stabiler Betrieb einer Lampe mit einem fortlaufend aus einem Depot ausdampfenden chemischen Verbindung nicht möglich, weil sich die Zusammensetzung der Gasphase und ggf. auch des Leuchtkör¬ pers selber kontinuierlich ändern.
Als weitere Möglichkeit wird im WO- Patent 03/075315 die gegenseitige Re¬ generation zweier abwechselnd betriebener Leuchtkörper beschrieben. Hier¬ bei dampft von einem bei hohen Temperaturen ( über 3000 K) betriebenen „aktiven" Leuchtkörper permanent Kohlenstoff ab und wird zu einem zweiten bei relativ niedrigen Temperaturen (um oder unter 2000 K) betriebenen „inak¬ tiven" Leuchtkörper transportiert, wo er sich abscheidet bzw. anlagert. Ist der „aktive" Leuchtkörper an Kohlenstoff verarmt, so wird umgeschaltet; der vor¬ her „inaktive" Leuchtkörper wird bei hoher Temperatur betrieben und der vor- her „aktive" Leuchtkörper wird auf niedriger Temperatur gehalten. Dabei wird der jetzt „inaktive" Leuchtkörper vom „aktiven" Kohlenstoff verdampfenden Leuchtkörper regeneriert. Hierbei ist nachteilig, dass man zwei Leuchtkörper benötigt, zwischen denen dauernd umgeschaltet werden muss.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige Metallverbindung, und insbesondere einen car- bidhaltigem Leuchtkörper, oder auch ein Metall enthält, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer ermöglicht und das Prob- lem der Verarmung des Leuchtkörpers an einer abdampfenden Komponente über¬ windet.
Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen An- Sprüchen.
Der Begriff hochtemperaturbeständige Metallverbindung meint Verbindungen, deren Schmelzpunkt in der Nähe des Schmelzpunkts von Wolfram liegt, teilweise sogar darüber. Bevorzugt ist das Material des Leuchtkörpers TaC oder Ta2C. Aber auch Carbide des Hf, Nb oder Zr und überdies Legierungen dieser Carbide sind geeignet. Des weiteren Nitride oder Boride von derartigen Metallen. Diesen Verbindungen gemeinsam ist die Eigenschaft, dass ein Leuchtkörper aus diesem Material im Be¬ trieb an mindestens einem Element verarmt. Das im folgenden beschriebene Prinzip ist aber genauso auch auf Leuchtkörper aus Metallen anwendbar. Der im folgenden verwendete Begriff Metallverbindung ist daher nicht einschränkend zu verstehen, sondern beispielhaft. Die darin getroffenen Aussagen sind analog auch auf Metalle anwendbar.
Wird ein Leuchtkörper bei hohen Temperaturen betrieben, so kommt es - je nach der Beschaffenheit des Materials des Leuchtkörpers - zu einem Ab¬ dampfen von Material bzw. von Bestandteilen des Materials. Das abge- dampfte Material bzw. seine Bestandteile werden durch z.B. Konvektion, Diffusion oder Thermodiffusion abtransportiert und scheiden sich an anderer Stelle in der Lampe ab, z.B. an der Kolbenwand oder Gestellteilen. Durch die Abdampfung des Materials bzw. seiner Bestandteile kommt es zu einer ra¬ schen Zerstörung des Leuchtkörpers. Durch das sich an der Kolbenwand abscheidende Material wird die Transmission des Lichtes stark reduziert.
Beispiele:
(a) Das von einer Glühwendel aus Wolfram abdampfende Wolfram wird bei einer konventionellen Glühlampe zur Kolbenwand transportiert und scheidet sich dort ab. (b) Ein bei hohen Temperaturen betriebener Tantalcarbidleuchtkörper zer¬ setzt sich unter Entstehung des spröden, gegenüber TaC bei niedrigeren Temperaturen schmelzenden Subcarbids Ta2C und von gasförmigem Koh¬ lenstoff, welcher zur Kolbenwand transportiert wird und sich dort abscheidet.
Die Aufgabenstellung besteht darin, durch geeignete Maßnahmen ein Ab¬ dampfen vom Leuchtkörper zu minimieren bzw. rückgängig zu machen.
Um eine Verarmung des Leuchtkörpers an der abdampfenden Komponente zu vermeiden, wird von außen eine solche Konzentration der abdampfenden Komponente eingestellt, dass im Idealfall sich Abdampfung und Sublimation das Gleichgewicht halten und der Leuchtkörper somit an der fraglichen Kom¬ ponente weder verarmt noch angereichert wird. Die Einstellung der benötig¬ ten Konzentration über dem Leuchtkörper soll durch einen kontinuierlichen Transport eines die fragliche Komponente enthaltenden Stoffes von einer Quelle in eine Senke realisiert werden. Durch die fortlaufende Abscheidung des aus der Quelle nachgelieferten Stoffes wird eine Veränderung der Zu¬ sammensetzung der Gasphase vermieden und ein Betrieb des Leuchtkör¬ pers bei konstanten Bedingungen ermöglicht.
Bei einer möglichen Auslegungsform einer Lampe mit TaC Leuchtkörper be¬ steht die Quelle aus einem festen, oder auch flüssigen, Kohlenwasserstoff, welcher so in die Lampe eingebracht wird, dass sich über dem Quellenmate¬ rial ein bestimmter Dampfdruck an gasförmigem Kohlenwasserstoff aufbaut. Dieser Kohlenwasserstoff wird durch Diffusion bzw. Konvektion in das Lam¬ peninnere transportiert, wo er sich bei höheren Temperaturen nahe des Leuchtkörpers zersetzt. Der Leuchtkörper befindet sich somit in einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre; eine Zersetzung des Leuchtkörpers wird dadurch verhindert. Im Idealfall gibt der Leuchtkörper dabei weder Koh¬ lenstoff an die Umgebung ab, noch wird Kohlenstoff in ihm angereichert. An¬ ders ausgedrückt stellt sich am Leuchtkörper ein Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffabscheidung und Kohlenstoffverdampfung ein. Bei niedrigeren Temperaturen nahe der Kolbenwand reagiert der Kohlenstoff wieder mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen zurück. An einem bei geeigneter Tem¬ peratur angebrachten Draht z.B. aus einem der Materialien Eisen, Nickel, Kobalt, Platin oder Molybdän hinreichend großer Oberfläche zersetzt sich der Kohlenwasserstoff unter Abscheidung von festem Kohlenstoff (Ruß). Dieser Vorgang entspricht etwa dem aus der Technischen Chemie bekannten Cra- cken von Kohlenwasserstoffen an geeigneten Katalysatoren, wobei in die¬ sem Fall - im Gegensatz zur Reaktionsführung in Anlagen der chemischen Industrie - die Abscheidung von Kohlenstoff am Katalysator erwünscht ist. Insgesamt tritt somit fortlaufend Kohlenstoff aus einer Quelle aus und wird in einer Senke wieder abgeschieden. Der Leuchtkörper der Lampe wird somit weder an Kohlenstoff angereichert, noch verarmt er an Kohlenstoff; außer¬ dem wird die Kohlenstoffkonzentration in der Gasphase konstant gehalten.
Mit dem Wasserstoff kann bevorzugt analog verfahren werden. Als Wasser¬ stoffsenke wirkt die permeable Quarzkolbenwand bei hohen Temperaturen. Bei niedrigeren Temperaturen kann der entstehende Wasserstoff durch Jod abgefangen werden (Reaktion zu Jodwasserstoff); der dabei entstehende Jodwasserstoff ist hinsichtlich seiner Auswirkung auf die Maintenance der Lampe unkritisch, weil er weder in die Chemie des Metallkarbids eingreift noch die physikalischen Eigenschaften des Füllgases (insbesondere die Wärmeleitfähigkeit) ändert. Eine weitere Möglichkeit zur Bindung des freige¬ setzten Wasserstoffs (d.h. einer Senke für Wasserstoff) besteht im Gebrauch von Metallen wie z.B. Zirkonium oder Hafnium oder Niob oder Tantal, welche bei geeigneten Temperaturen Wasserstoff „gettern".
Es soll noch einmal darauf hingewiesen werden, dass die Existenz einer Senke für die Funktionsfähigkeit der Lampe wichtig ist. Beim Fehlen von Senken für Kohlenstoff und Wasserstoff würde sich entweder die Gasphase oder der Leuchtkörper an dem jeweiligen Element anreichern; die Folge da¬ von wäre eine Veränderung der Betriebsdaten der Lampe.
Insbesondere können die in den letzten Absätzen beschriebenen Transport- prozesse noch von einem oder mehreren Kreisprozessen überlagert werden. Wenn z.B. in einer Lampe mit einem Leuchtkörper aus TaC ständig Kohlen¬ stoff - zum Teil in Form von Kohlenwasserstoffen - von einer Quelle zu einer Senke transportiert wird, so kann diesem Transportprozess durch Zusatz einer halogenhaltigen Verbindung ein Tantal-Halogen-Kreisprozess überla- gert werden, welcher das vom Leuchtkörper abgedampfte Tantal an der Ab¬ scheidung an der Kolbenwand hindert und zumindest teilweise zum Leucht¬ körper zurück transportiert, wie z.B. in der noch unveröffentlichten Anmel¬ dung DE-Az 103 56 651.1 beschrieben. Auf diese wird ausdrücklich Bezug genommen. Weiterhin ist es für eine TaC Lampe denkbar , dem beschriebe- nen permanenten Transport von Kohlenstoff von einer Quelle in eine Senke einen Kohlenstoff-Kreisprozess zu überlagern, z.B. einen C-H-, C-Halogen-, C-S- oder C-N-Kreisprozess wie in der Anmeldung DE-Az 103 56 651.1 be¬ schrieben.
Die als Senken dienenden Metalle können z.B. in Form von Drähten oder Plättchen an das Gestell bzw. die Stromzuführung angeschweißt werden, oder als Überzugswendel direkt um die Stromzuführung gewickelt werden, oder z.B. in Form von Drähten direkt mit eingequetscht werden. Wesentlich ist insbesondere bei der Verwendung von katalytisch wirkenden Metallen als Senken, dass die Oberfläche dieser Metalle hinreichend groß ist, da ja die Oberfläche fortlaufend mit Kohlenstoff belegt wird („Vergiftung" des Katalysa¬ tors), um die Wirksamkeit des Katalysators zu erhalten. Auch die Beschich- tung von Wendelabgängen bzw. Stromzuführungen mit als Senke dienenden Metallen ist eine weitere Ausführungsform.
In einer weiteren Ausführungsform wird als Quelle für Kohlenstoff elementa- rer Kohlenstoff verwandt. Dieser kann z.B. in Form von Kohlenstoffpresslin- gen, von Graphitfasern oder auf einem Substrat abgeschiedenem Russ, Di¬ amant in Form von DLC oder Graphit vorliegen. Der Kohlenstoff wird auf ei¬ ner „mittleren" Temperatur gehalten, die genau so groß sein muss, dass der resultierende Dampfdruck des Kohlenstoffs am Ort des heißen Leuchtkör- pers zu einem Kohlenstoff-Partialdruck führt, welcher in etwa dem Kohlen- stoff-Gleichgewichtsdampfdruck über dem Tantalkarbid entspricht. Damit halten sich am Leuchtkörper aus Tantalkarbid Kohlenstoffabscheidung und Kohlenstoffverdampfung das Gleichgewicht; eine Dekarburierung des Leuchtkörpers wird so vermieden. Gelangt der Kohlenstoff in kältere Berei- che nahe der Kolbenwand, so reagiert er mit Wasserstoff oder auch Haloge¬ nen zu (ggf. halogenierten) Kohlenwasserstoffen; dadurch wird die Abschei¬ dung des Kohlenstoffs an der Kolbenwand verhindert. An einem Katalysator erfolgt dann die Zersetzung des Kohlenwasserstoffs, dabei scheidet sich der Kohlenstoff an der Oberfläche des Katalysators ab und der Wasserstoff wird wieder freigesetzt. In diesem Fall benötigt man keine Senke für den Wasser¬ stoff bzw. ggf. das Halogen, welche ja nur die Abscheidung des Kohlenstoffs an der Kolbenwand verhindern und den in Form von Kohlenwasserstoff ge¬ bundenen Kohlenstoff zum Katalysator transportieren. Der Wasserstoff bzw. ggf. das Halogen dient somit hier lediglich als Transportmittel, um den Koh- lenstoff zu transportieren und wird nicht verbraucht. Insgesamt wird in die¬ sem Fall Kohlenstoff von der Kohlenstoffquelle (Kohlenstoffpressling, Gra¬ phitfasern, Diamant wie DLC, Graphitschichten, Ruß, etc.) zur Kohlenstoff¬ senke (z.B. Draht aus Nickel, Eisen, Molybdän) transportiert, wo er sich wie¬ der abscheidet.
In einer Ausführungsform der Kohlenstoffquelle wird der Kohlenstoff auf eini¬ gen Windungen des als Wendel ausgeführten Leuchtkörpers aus Metallcar- bid abgeschieden. Bevorzugt erfolgt die Kohlenstoffabscheidung auf den äußeren Windungen der Wendel bei niedrigeren Temperaturen als in der Mitte des Leuchtkörpers. Da der Dampfdruck über reinem Kohlenstoff größer ist als der Kohlenstoff-Dampfdruck über Tantalcarbid, wird die Quelle aus reinem Kohlenstoff bei niedrigeren Temperaturen als in der heißen Wendel¬ mitte angebracht. Dadurch soll möglichst der Kohlenstoff- Gleichgewichtsdampfdruck über der Mitte der heißen Wendel eingestellt werden und erreicht werden, dass über den Leuchtkörper keine den Kohlen- stoff-Transport treibenden Gradienten des Kohlenstoff-Partialdrucks entste¬ hen. Die zuletzt beschriebene Vorgehensweise ist auch von Nutzen zur Umge¬ hung von Problemen hinsichtlich der relativ geringen Stossfestigkeit des Tan¬ talkarbids beim Transport der Lampen zum Kunden. Eine Option zur Umge¬ hung dieses Problems besteht darin, die Karburierung erst nach dem Trans- port der Lampen zum Kunden beim Einbrennen abzuschließen und zunächst noch wenigstens einen Tantalkern im Leuchtkörper aus TaC zu belassen. Um die Karburierung beim Kunden dann abzuschließen, muss man beim Einbrennen der Lampe dem noch nicht vollständig durchkarburierten Leucht¬ körper große Mengen an Kohlenstoff zuführen. Speichert man diese große Mengen Kohlenstoff in Form von gasförmigen Kohlenwasserstoffen in der Gasatmosphäre oder in Form von kontinuierlich verdampfenden festen Koh¬ lenwasserstoffen, so werden bei der Karburierungsreaktion sehr große Men¬ gen Wasserstoff freigesetzt, welche sich dann wegen der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit negativ auf die Effizienz der Lampe auswirken. Da die Reaktion mit dem Kohlenwasserstoff auch nicht vollständig verläuft, stellen die großen Mengen an freigesetztem Kohlenstoff, die in der Gasphase gehal¬ ten werden müssen, ebenfalls ein Problem dar. Dieses Problem lässt sich in der beschriebenen Weise umgehen, indem der noch nicht vollständig durch- karburierte Leuchtkörper sich in einem kontinuierlichen Strom eines von einer Kohlenstoffquelle ausgehenden Stroms von Kohlenstoff befindet. Der nicht zur Karburierung verwandte Kohlenstoff reagiert mit Wasserstoff zu Kohlen¬ wasserstoffen, wodurch die Abscheidung des Kohlenstoffs an der Kolben¬ wand verhindert wird. Der Kohlenwasserstoff zersetzt sich schließlich wieder an einem Katalysator, wobei der nicht benötigte Kohlenstoff abgeschieden wird und der Wasserstoff freigesetzt wird. Dabei kommt man mit einer relativ geringen Menge Wasserstoff aus, weil dieser nicht verbraucht wird, sondern nur zum Transport des Kohlenstoffs zur Kohlenstoffsenke dient. Insbesonde¬ re bleibt die Menge an Wasserstoff dabei konstant und steigt nicht perma¬ nent während der Karburierung an. Ist bei hoher Kolbentemperatur, insbe- sondere bei einem Kolben aus Quarzglas, die Permeabilität des Wasser¬ stoffs nicht mehr vernachlässigbar, kann der Wasserstoff durch den Gebrauch von Jod nahe der Kolbenwand wieder als Jodwasserstoff abge¬ fangen und stabilisiert werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung einer Kohlenstoffquelle besteht in der Verwendung einer mit Tantalkarbid beschichteten Kohlenstofffaser. Bei den hohen Betriebstemperaturen diffundiert der Kohlenstoff durch die Tantal¬ karbidschicht hindurch; eine Verarmung der Tantalkarbidschicht an Kohlen¬ stoff wird damit vermieden. Der dadurch in den Gasraum freigesetzte Koh¬ lenstoff führt jedoch zu einer raschen Schwärzung der Kolbenwand, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Durch Abfangen des Kohlenstoffs mit Wasserstoff lässt sich bei nicht zu hohen Kolbentemperaturen eine Schwärzung des Kolbens verhindern. Allerdings werden sehr große Mengen an Wasserstoff benötigt, um den Kohlenstoff möglichst vollständig vor seiner Abscheidung auf der Kolbenwand „abzufangen". Dies lässt sich dadurch vermeiden, dass man den Kohlenwasserstoff an einem auf geeigneter Tem- peratur gehaltenen Katalysator, z.B. einem Draht aus Nickel, Eisen, usw. zersetzt. Dabei scheidet sich der Kohlenstoff am Nickeldraht ab, während der Wasserstoff wieder freigesetzt wird und zur Reaktion mit weiterem Kohlen¬ stoff zur Verfügung steht. Der Wasserstoff dient somit lediglich als „Vehikel", um vom Leuchtkörper herantransportierten Kohlenstoff durch Bildung von Kohlenwasserstoff abzufangen und zur Kohlenstoffsenke (z.B. Draht aus Ni¬ ckel, Molybdän, ...) zu transportieren. Insgesamt wird bei diesem Transport¬ mechanismus kein Wasserstoff verbraucht, d.h. man kommt mit einer relativ geringen Menge an Wasserstoff aus. Würde man alternativ einen Kreispro- zess implementieren, so müsste man sehr große Mengen an Wasserstoff verwenden, um den in großer Konzentration vom Leuchtkörper herantrans¬ portierten Kohlenstoff durch Bildung von Kohlenwasserstoffen abzufangen bzw. eine solch hohe Konzentration an Kohlenwasserstoffen nahe der Kol¬ benwand aufzubauen, dass der Rücktransport von Kohlenstoff zum Leucht¬ körper den Abtransport genau ausgleicht. Bei Verwendung von so großen Mengen an Wasserstoff würde die Effizienz der Lampe stark zurückgehen. AIs weitere Möglichkeit der Ausgestaltung einer Quelle bietet es sich an, den Leuchtkörper mit dem Material, an welchem er verarmt und das aus einer Quelle wieder zugeführt werden soll, zu beschichten und dann noch einmal eine Schicht des eigentlichen Leuchtkörper-Materials von außen auf diese Schicht aufzubringen. Besteht ein Leuchtkörper z.B. aus einem Metallcarbid wie Tantalcarbid oder Hafniumcarbid, so wird eine Schicht aus Kohlenstoff auf der Oberfläche des Leuchtkörpers aus Metallcarbid abgeschieden. Auf dieser Schicht aus Kohlenstoff wird dann noch einmal eine Schicht eines Metallcarbids aufgebracht. Verdampft im Lampenbetrieb Kohlenstoff von der äußeren Metallcarbid - Schicht, so diffundiert sofort Kohlenstoff von innen von der umschlossenen Kohlenstoff-Schicht nach und verhindert eine Ver¬ armung der äußeren Metallcarbid-Schicht an Kohlenstoff. In dieser Hinsicht ist die Funktionsweise derjenigen einer mit Metallcarbid beschichteten Koh¬ lenstoff-Faser recht ähnlich. Bei dieser Vorgehensweise ist jedoch von Vor- teil, dass bei der Herstellung des Leuchtkörpers weitgehend auf im Halogen¬ lampenbau etablierte Verfahrenstechnologie zurückgegriffen werden kann. Das Aufbringen der Kohlenstoff-Beschichtung erfolgt zum Beispiel gemäß einem CVD-Verfahren in der Stängellampe, z.B. durch Zersetzung von Me¬ than (1 bar Druck) bei einer Temperatur von ca. 2.500 K am Leuchtkörper. Die Aufbringung der aus Metallcarbid bestehenden äußeren Schicht erfolgt beim CVD-Verfahren z.B. durch gleichzeitige thermische Zersetzung von Me- tallhalogeniden wie Tantalhalogenid und Methan; es ist natürlich auch die Verwendung von anderen Metallverbindungen bzw. Kohlenwasserstoffen als Precursor möglich. Durch Einstellung geeigneter stöchiometrischer Verhält- nisse der Ausgangsverbindungen lässt sich dann das Metallcarbid direkt auf der Oberfläche des Leuchtkörpers abscheiden, z.B. gemäß TaCI5 + CH4 + x H2 -> TaC + 5 HCl + (x - V2) H2 . Der Wasserstoff dient hier einer Vermei¬ dung der Abscheidung von Ruß. Man kann auch nur das Metall auf der aus Kohlenstoff bestehenden Oberfläche des Leuchtkörpers abscheiden und dann erst in einer z.B. Methan enthaltenden Atmosphäre zur Reaktion (d.h. Carburierung) bringen, wobei von der äußeren Kohlenstoff enthaltenden At¬ mosphäre und von Innen von der Kohlenstoffschicht her die Carburierung einsetzt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die bei der Um¬ wandlung des Metalls in Metallcarbid auftretende Volumenänderung relativ große Schichtspannungen verursacht. Daher ist eine gleichzeitige Abschei¬ dung des Metalls und des Kohlenstoffs im stöchiometrischen Verhältnis vor- teilhaft.
Im zuletzt genannten Ausführungsbeispiel müssen die Materialien des inne¬ ren Materials (z.B. Drahtes) aus Metallcarbid sowie der äußeren Schicht aus Metallcarbid nicht unbedingt identisch sein. Z.B. kann der innere Draht aus Tantalcarbid bestehen, während die äußere auf die Kohlenstoff-Schicht auf- gebrachte Schicht aus Hafniumcarbid oder der Legierung HfC-4TaC besteht. Über HfC bzw. der Legierung HfC-4TaC herrschen geringere Dampfdrücke als etwa über reinem Tantalcarbid. Da jedoch Hafnium deutlich teurer ist als Tantal, lässt sich auf diese Weise die Menge des eingesetzten Hafniums deutlich reduzieren.
Als eine weitere Quelle für Kohlenstoff kommen Sinterwerkstoffe mit Kohlen¬ stoff in Betracht, wie z.B. in US 3405328 beschrieben. Dort wird beschrieben, wie durch Sinterprozesse bei hohen Temperaturen und hohen Drücken in Autoklaven Metallkarbide wie z.B. Tantalkarbid mit gelöstem Kohlenstoff her¬ gestellt werden können. Diese Materialien, die als Leuchtkörpermaterial die- nen sollen, enthalten dann deutlich mehr Kohlenstoff als gemäß der Stöchi- ometrie des TaC zu erwarten ist. In dem Patent wird zudem die Verwendung von Gemischen verschiedener Karbide beschrieben, um die Stossfestigkeit des Leuchtkörpers zu erhöhen.
Als weitere Optionen für Kohlenstoff- Senken kommen Metalle wie z.B. WoIf- ram, Tantal, Zirkonium etc. in Betracht, welche bei geeigneten Temperaturen Karbide bilden. Die Betriebstemperatur dieser Metalle richtet sich insbeson¬ dere nach dem vom Leuchtkörper kommenden Fluss an Kohlenstoff; üblich sind Temperaturen im Bereich zwischen 18000C und 2500 0C. Bevorzugt wird beim Gebrauch dieser Metalle Wasserstoff eingesetzt, um den Kohlen- stoff an einer Abscheidung an der Kolbenwand zu hindern und zur Kohlen- stoff- Senke zu transportieren. Würde man auf den Wasserstoff verzichten, so würde vom Leuchtkörper herantransportierter Kohlenstoff sich - wenn er nicht auf seinem Weg vom Leuchtkörper zufällig auf das karbidbildende Me¬ tall trifft - auf der Kolbenwand abscheiden. Bei zusätzlichem Gebrauch von Wasserstoff reagiert der Kohlenstoff zunächst mit dem Wasserstoff zu einem Kohlenwasserstoff wie z.B. Methan, welches sich dann am karbidbildenden Metall wieder unter Übergang des Kohlenstoffs auf das karbidbildende Metall und Freisetzung des Wasserstoffs zersetzt .
Weitere mögliche Katalysatoren für die Zersetzung von Kohlenwasserstoffen sind Aluminium-, Molybdän- oder Magnesiumsilicate.
Als eine weitere Möglichkeit zur Verwendung als Kohlenstoffquelle kommt auch die Verwendung von Tantalkarbid bzw. anderer Karbide in Betracht. Bringt man etwa einen nicht vom Strom durchflossenen Stab aus Tantalkar¬ bid auf eine dem Leuchtkörper entsprechende Temperatur, so stellt sich über dem Tantalkarbid gerade der geeignete Gleichgewichts-Dampfdruck an Koh¬ lenstoff ein, bei dem am Leuchtkörper keine Verdampfung oder Abscheidung von Kohlenstoff mehr erfolgt. Dies lässt sich z.B. realisieren, indem man ei¬ nen Stab / Draht aus Tantalkarbid im Inneren auf der Achse einer Wendel aus Tantalkarbid einbringt (analog einer Wendel mit Innenrückführung, wie sie für IRC- Lampen verwandt wird, wobei bei den Metallkarbid- Lampen aber der Draht auf der Wendelachse nicht vom Strom durchflössen wird) , wobei die Windungen der stromführenden aus TaC Draht bestehenden Wendel den nicht stromführenden Stab aus TaC nicht berühren dürfen, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Der Stab muss sich auf praktisch derselben Temperatur befinden wie die benachbarten Windungen. Er darf auf keinen Fall deutlich kälter sein als die benachbarten Windungen, d.h. die Wärmeab¬ leitung längs des Stabs muss - z.B. durch Wahl eines hinreichend kleinen Durchmessers - begrenzt werden. Über dem Stab stellt sich ein Gleichge¬ wichtsdampfdruck an Kohlenstoff ein. Der Kohlenstoff wird im radial nach außen gerichteten Konzentrationsgradienten an den stromführenden TaC Wendeln vorbei zur Kolbenwand transportiert. Die einzelnen Windungen der TaC- Wendel befinden sich damit in einem ständigen Strom aus Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoff-Partialdruck dem Gleichgewichtsdruck über den Wen¬ deln entspricht. Der nach außen transportierte Kohlenstoff reagiert nahe der Kolbenwand wieder mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen, welche sich dann an einem geeigneten Katalysator wie oben beschrieben unter Abschei¬ dung von Kohlenstoff und Freisetzung von Wasserstoff zersetzen. Insgesamt wird somit Kohlenstoff vom auf der Achse der Wendel befindlichen Stab aus TaC an den Windungen der TaC Wendel vorbei zur Kohlenstoff-Senke transportiert, wobei der Kohlenstoff-Partialdruck etwa dem Kohlenstoff- Gleichgewichtsdruck an den einzelnen Windungen entspricht und die aus TaC bestehenden Windungen somit stabilisiert werden. Anders ausgedrückt wird der von den einzelnen Windungen der TaC Wendel abdampfende und nach außen transportierte Kohlenstoff von innen her durch von dem vom TaC- Stab abdampfenden Kohlenstoff ersetzt. Der Vorteil einer Verwendung eines Stabes aus TaC gegenüber der Verwendung eines Stabes z.B. aus reinem Kohlenstoff liegt darin, dass bei derselben Temperatur der Kohlen¬ stoff-Dampfdruck über reinem Kohlenstoff um Größenordnungen höher liegt als derjenige über Tantalkarbid, somit würde man in diesem Fall eine unnötig starken Kohlenstofftransport erzeugen und zum Teil sogar Kohlenstoff an der TaC Wendel abscheiden. Der Vorteil der Verwendung eines TaC Stabes auf der Wendelachse, dessen Temperaturprofil möglichst genau demjenigen der Wendel entspricht, besteht darin, dass sich dann an den einzelnen Windun¬ gen der TaC Wendel automatisch die Kohlenstoff- Gleichgewichtsdrücke, welche eine Zersetzung des Leuchtkörpers verhindern, einstellen.
Als Quelle für Kohlenstoff kommen neben dem Kohlenstoff selber und Koh¬ lenstoff-Wasserstoff Verbindungen auch Verbindungen des Kohlenstoffs mit anderen Elementen in Betracht.
Vorteilhaft können z.B. Kohlenstoff und Fluor enthaltende Polymere verwandt werden, wie sie z.B. bei der Polymerisation von Tetrafluorethylen C2F4 ent- stehen (z.B. Polytetrafluorethylen PTFE1 Markenname „Teflon" bei der Fa. DUPONT). Bei der Zersetzung dieser Verbindungen entstehen in der Gas¬ phase Verbindungen wie z.B. CF4, C2F4, usw. welche sich erst bei höchsten Temperaturen nahe des Leuchtkörpers zersetzen und dabei Kohlenstoff und Fluor freisetzen. Von Vorteil ist dabei, dass der Kohlenstoff besonders bzw. praktisch ausschließlich an Stellen hoher Temperatur freigesetzt wird. Der Kohlenstoff wird somit gezielt zu Stellen hoher Leuchtkörpertemperatur transportiert. Wegen des gezielten Rückflusses zu Stellen höherer Tempera¬ tur kann hier mit relativ geringen Flüssen an Kohlenstoff bzw. relativ geringen Partialdrücken an gasförmigen C-F-Verbindungen gearbeitet werden. Das freigesetzte Fluor reagiert an der Wand zu gasförmigem SiF4, welches dann aber kaum noch in das Reaktionsgeschehen eingreift und sich auch nicht - wie etwa Wasserstoff - wegen erhöhter Wärmeleitung negativ auf die Effi¬ zienz der Lampe auswirkt. Der dabei freigesetzte Kohlenstoff kann wieder - sofern er nicht in der Wandreaktion unter CO-Bildung aufgebraucht wird - mittels eines Transportpartners wie z.B. Chlor in kälteren Bereichen zunächst gebunden und dann an einem heißen Metalldraht wieder zersetzt werden, wobei der Kohlenstoff sich wieder abscheidet und das Chlor freigesetzt wird (Kohlenstoff-Senke). Da in der Wandreaktion zwei F-Atome ein O-Atom frei- setzen und im Polytetrafluorethylen in etwa auf zwei F-Atome ein C-Atom kommt, wird der Kohlenstoff weitgehend mit dem in der Wandreaktion freige¬ setzten Sauerstoff zu CO umgesetzt.
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 Allgemeinbe- leuchtungszwecke 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 ge- quetschte Lampen verwendet, da hier der Leuchtkörper relativ kurz gehalten werden kann, was die Bruchanfälligkeit ebenfalls reduziert. Aber auch die Anwendung auf zweiseitig gequetschte Lampen und Lampen für Netzspannungsbetrieb ist möglich. Der Begriff Stab, wie er hier verwendet wird, meint ein Mittel, das als massiver Stab oder insbesondere als ein dünner Draht ausgebildet ist.
Das beschriebene Konzept lässt sich in vielfältiger Weise auf spezielle chemische Transportsysteme anwenden. In einer speziellen Ausführungsform wird es für eine Auslegung eines Kohlenstoff-Schwefel-Kreisprozesses benutzt. Wie in DE Az 10358262.2 beschrieben zerfällt CS erst bei Temperaturen deutlich oberhalb 3000 K, wobei der Dissoziationsgrad des CS mit steigender Temperatur stark zunimmt. Damit eignet sich der C-S-Kreisprozess dazu, den Kohlenstoff zur heißesten Stelle längs der Wendel zurück zu transportieren und damit die Ausbildung von „Hot- Spots" zu verlangsamen bzw. zu verhindern. Bei Verwendung dieses C-S-Systems ist nun zu berücksichtigen, dass die den Kohlenstoff im Hochtemperaturbereich transportierende Verbindung CS bei Temperaturen ca. unterhalb 2200 K dispropor¬ tioniert gemäß 2 CS -> CS2 + C, wobei Kohlenstoff am Gestell bzw. an den Wen¬ delabgängen abgeschieden wird. Wird andererseits CS2 durch Diffusion bzw. durch die Strömung wieder zu Orten höherer Temperatur hin transportiert, so zersetzt es sich bei T > 2200 K in CS und Schwefel, wobei der Schwefel decarburierend auf den Metallcarbid-Leuchtkörper einwirkt. Daher ist es vorteilhaft, den Leuchtkörper bzw. dessen Abgänge im Bereich oberhalb 2200 K mit einer Kohlenstoff-Schicht zu überziehen. Die in diesem Temperaturbereich freiwerdenden Schwefel-Atome rea- gieren dann mit dem Kohlenstoff zu CS; eine Decarburierung des Metallcarbid- Leuchtkörpers wird vermieden. Im Laufe der Lebensdauer wird diese Kohlenstoff- Beschichtung langsam aufgebraucht. Andererseits wird bei niedrigeren Temperatu¬ ren unterhalb ca. 2200 K bei der Disproportionierung des CS Kohlenstoff freigesetzt und abgeschieden. Zusammenfassend wird somit durch das CS-System der Koh- lenstoff von Orten höherer Temperatur mit T > 2200K zu Orten niederer Temperatur mit T < 2200 K transportiert. Ohne das Reservoir an Kohlenstoff für T > 2200 K (Quelle) bzw. die Abscheidung von Kohlenstoff bei T < 2200 K (Senke) lassen sich nur schwer stationäre Betriebsbedingungen erreichen.
Die hier beschriebene Methodik lässt sich auch auf Glühkörper aus anderen Materi- alien als Metallcarbide, -boride oder -nitride anwenden. Als Beispiel wird im folgen¬ den eine Anwendung auf reine Metalle wie Wolfram beschrieben. Zur Erzeugung eines die Lebensdauer verlängernden regenerativen Kreisprozesses, bei dem „Hot- Spots" am Leuchtkörper ausgeheilt werden, wird in der Literatur der Fluor- Kreisprozess beschrieben, vgl. z.B. (a) J. Schröder, Kino-Technik No. 2, 1965, (b) Dittmer, Klopfer, Rees, Schröder, J. CS. Chem. Comm, 1973. Die regenerative Wir¬ kung des Fluor-Kreisprozesses beruht darauf, dass Wolframfluoride erst bei Tempe¬ raturen oberhalb ca. 2500 K zerfallen, wobei das Wolfram bevorzugt an den hei- ßesten Stellen wieder angelagert wird. Eine wesentliche Schwierigkeit beim Gebrauch von Fluor besteht darin, dass Fluor an der Kolbenwand zu Sillicium- tetrafluorid SiF4 reagiert, wobei zusätzlich noch Sauerstoff freigesetzt wird. Das im SiF4 gebundene Fluor steht für die weitere Reaktion im Halogenkreisprozess nicht mehr zur Verfügung. Daher werden in der Literatur mehrere Möglichkeiten zur Pas- sivierung der Kolbenwand genannt, vgl. z.B. Schröder, PHILIPS Techn. Rundschau 1963/64, S. 359 zum Gebrauch von AI2O3. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich bei Verwendung des hier behandelten Konzepts. Dazu werden hochmolekulare Verbin¬ dungen aus Kohlenstoff und Fluor wie z.B. Polytetrafluorethylen als Fluor Quelle eingesetzt. Diese Verbindungen zersetzen sich bei höheren Temperaturen langsam, wobei in der Gasphase niedermolekulare Kohlenstoff und Fluor enthaltende Spezies entstehen. Dabei freigesetztes Fluor reagiert an Wolfram-Oberflächen im Tempera¬ turbereich zwischen ca. 1600K und 2400K zu Wolframfluoriden. Bei entsprechenden Temperaturen vorliegende Gestellteile oder Wendelabgänge aus Wolfram werden daher bevorzugt verdickt ausgeführt, um dem Kreisprozess hinreichend viel WoIf- ram zur Verfügung stellen zu können. Die so gebildeten Wolframfluoride werden zu Orten höherer Temperatur transportiert, wo sie sich bevorzugt an Orten höherer Temperatur zersetzen. Somit wird gezielt Wolfram zu den heißesten Stellen des Leuchtkörpers zurück transportiert. Beim Auftreffen von Fluor bzw. Fluor enthalten¬ den Verbindungen auf die Glaswand des Kolbens reagiert Fluor zu SiF4 ab und steht damit für die weitere Teilnahme an chemischen Transportreaktionen nicht zur Verfügung. Bei der Wandreaktion wird zudem Sauerstoff freigesetzt. Da im Polytet¬ rafluorethylen auf zwei Fluor-Atome ein Kohlenstoff-Atom kommt und bei der Wand¬ reaktion jeweils zwei Fluor-Atome ein Sauerstoff-Atom freisetzen, kann stöchio- metrisch betrachtet der in der Wandreaktion freigesetzte Sauerstoff durch den Koh- lenstoff komplett zu CO gegettert werden. Da freigesetzter Kohlenstoff meist noch anderweitig z.B. in Form von Carbiden gebunden wird, verläuft die Getterung des Sauerstoffs durch den Kohlenstoff meist nicht vollständig. Bei Bedarf müssen daher noch andere Getter wie Phosphor eingesetzt werden. Die am Wolfram-Reservoir entstandenen Wolframfluoride werden durch die Konvektion bzw. Diffusion nicht vollständig in Richtung des Leuchtkörpers transportiert bzw. dort nicht vollständig umgesetzt; ein Teil wird in Richtung der Kolbenwand transportiert. Dort zersetzen sich die Wolframfluoride zumindest teilweise unter Freisetzung von Fluor, welches in beschriebener Weise mit der Wand reagiert, und Wolfram. Um eine Abschwärzung des Lampenkolbens zu vermeiden, empfiehlt sich der gleichzeitige Einsatz von Brom. Dadurch können Wolfram(oxy)bromide entstehen und die Kolbenwand wird sauber gehalten. Die Wolframoxybromide zersetzen sich bei Temperaturen weit unter denjenigen des Leuchtkörpers. D.h. das in ihnen gebundene Wolfram wird hauptsächlich am Gestell bzw. den Wendelabgängen abgeschieden., Dieser über- lagerter W-Br(-O) Kreisprozess ist somit nicht regenerativ, er dient lediglich dazu, den Lampenkolben klarzuhalten.
Das hier beschriebene Grundprinzip - der kontinuierliche Transport eines Stoffes von einer Quelle in eine Senke - lässt sich auch auf das Transportmittel anwenden, welches zum Klarhalten des Kolbens sowie der Rückführung von Material zum Leuchtkörper benutzt wird. Hier kann die Situation eintreten, dass entweder laufend das Transportmittel durch Reaktion oder Absorption mit Teilen des Gestells oder der Kolbenwand der Gasphase entzogen wird (Senke), oder dass es laufend durch De- sorption oder chemische Reaktion in die Gasphase eingebracht wird (Quelle). Um stationäre Verhältnisse in der Gasphase zu erreichen, empfiehlt es sich daher in einem solchen Fall, beim Auftreten einer Senke zusätzlich eine Quelle und beim Auftreten einer Quelle zusätzlich eine Senke in die Lampe einzubringen. Als erstes Beispiel wird der kontinuierliche Transport von Wasserstoff von einer Quelle in eine Senke behandelt. Als Quelle für Wasserstoff können dienen im Leuchtkörper (Metallcarbid) eingelagerter Wasserstoff, in den Zuleitungen oder Get- tern aufgenommener Wasserstoff (evtl. gebunden als Metallhydrid wie z.B. Tantal¬ hydrid). Bei der Aufkohlung kann über den Wasserstoff-Partialdruck und die Tem¬ peraturverteilung im Leuchtkörper und den Zuleitungen gezielt Wasserstoff in der Stängellampe angereichert werden. Im Lampenbetrieb herrschen andere Tempera¬ turverteilungen als beim Aufkohlen. Typischerweise ist die Leuchtkörpertemperatur im Lampenbetrieb mit ca. 3300 K - 3600 K höher als beim Aufkohlen (2800 K - 3100 K); außerdem können beim Aufkohlen höhere Wasserstoff-Partialdrücke ein¬ gesetzt werden. Daher können beim Aufkohlen auf geeigneter Temperatur sich befindende Teile des Gestells z.B. aus Tantal oder Niob Wasserstoff aufnehmen. Später im Lampenbetrieb befinden sich diese Gestellteile auf höherer Temperatur in einer Atmosphäre, die weniger Wasserstoff enthält, und geben daher Wasserstoff ab (Quelle). Auf deutlich niedrigerer Temperatur sich befindende Teile des Gestells nehmen diesen Wasserstoff auf (Senke). Z.B. bei Lampen mit TaC-Leuchtkörper mit integralen Wendelabgängen (ähnlich wie in Figur 1) werden die Wendelabgänge beim Aufkohlen nicht carburiert; somit steht hier Tantal in einem großen Tempera¬ turspektrum zur Verfügung, so dass in jedem Fall Stellen auftreten, die als Quelle bzw. Senke wirken können. Weiterhin kann auch Quarzglas als Wasserstoff-Quelle dienen, was über die Einstellung eines geeigneten Gehalts an OH-Gruppen im Glas möglich ist (über die Vakuumglühung der Quarzgläser). Das später eingebrachte Füllgas muss diese Stoffumlagerungen berücksichtigen. Wenn erforderlich können weitere Verbindungen bzw. Metalle, welche als Wasserstoffspeicher eingesetzt werden wie z.B. Zirkonium, als Wasserstoff-Quellen eingesetzt werden. Diese Kom¬ ponenten werden so am Gestell bzw. den Wendelabgängen befestigt, dass bei den sich einstellenden Temperaturen Wasserstoff vergleichsweise langsam über relativ lange Zeiten abgegeben wird.
Das zweite Beispiel bezieht sich auf den Einsatz von Schwefel in einer Lampe mit Metallcarbid-Leuchtkörper sowie einer integralen Auslegung von Wendel und Wen¬ delabgängen, d.h. Wendel und Wendelabgänge werden integral aus einem Tantal¬ draht gefertigt und dann der Leuchtkörper carburiert. Bei der Carburierung werden die Wendelabgänge nicht komplett mitcarburiert, d.h. hier findet man Tantal bzw. Tantalsubcarbid Ta2C. In diesem Bereich niedrigerer Temperaturen wird in der Lampe befindlicher Schwefel zu der sehr stabilen Verbindung Tantalsulfid umge¬ setzt und der Schwefel somit der Gasphase entzogen (Senke). Der der. Gasphase entzogene Schwefel muss ständig nachgeliefert werden (Quelle), um einen C-S- Kreisprozess aufrecht zu erhalten. Dies kann z.B. durch permanente Ausdampfung von CH3CSCH3 aus einem damit getränktem (z.B. aus Gummi bestehenden) Re¬ servoir geschehen. Bei Lampen mit extrem niedrigen Kolbentemperaturen unter ca. 1000C kann elementarer Schwefel als Quelle dienen, der bereits bei niederen Tem¬ peraturen einen beträchtlichen Dampfdruck aufweist und etwas oberhalb 1000C schmilzt. Auch der Einsatz von höher schmelzenden hochmolekularen Mercapta- nen als Schwefel-Quelle ist möglich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläu¬ tert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungs¬ beispiel; Figur 2 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem zweiten Aus¬ führungsbeispiel;
Figur 3 bis 5 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß weiteren Ausfüh¬ rungsbeispielen.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben aus Quarz- glas 2, einer Quetschung 3, und inneren Stromzuführungen 10, die Folien 4 in der Quetschung mit einem Leuchtkörper 7 verbinden. Der Leuchtkörper 7 ist ein einfach gewendelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen Enden 14 ungewendelt sind und quer zur Lampenachse abstehen. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt.
Die hier beschriebene Bauform lässt sich beispielsweise auch auf Lampen mit Leuchtkörpern anderer Metallkarbide, z.B. Hafniumkarbid, Zirkoniumkarbid, Niob- karbid, übertragen. Auch die Verwendung von Legierungen verschiedener Carbide ist möglich. Außerdem ist die Verwendung von Boriden oder Nitriden, insbesondere von Rheniumnitrid oder Osmiumborid, möglich.
Im allgemeinen verwendet die Lampe bevorzugt einen Leuchtkörper aus Tantalcar- bid, der bevorzugt aus einem einfach gewendelten Draht besteht. Als Leuchtkör¬ permaterial, der bevorzugt ein gewendelter Draht ist, eignet sich bevorzugt auch Zirkoniumkarbid, Hafniumkarbid, oder eine Legierung verschiedener Karbide wie z.B. in US-A 3 405 328 beschrieben.
Der Kolben ist typisch 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 typisch ein Kohlenwasserstoff, Wasserstoff und ein Halogenzusatz.
Ein Halogenzusatz ist unabhängig von möglichen Kohlenstoff-Halogen- Kreisprozessen bzw. Transportprozessen zweckmäßig, um vom Leuchtkörper aus Metallkarbid abgedampfte Metalle an der Abscheidung an der Kolbenwand zu hin¬ dern und möglichst zum Leuchtkörper zurück zu transportieren. Hier handelt es sich um einen Metall-Halogen-Kreisprozess wie z.B. in der Anmeldung DE-Az 103 56 651.1 beschrieben. Wichtig ist insbesondere folgender Umstand: Je mehr die Ab- dampfung von Kohlenstoff vom Leuchtkörper zurückgedrängt werden kann, um so geringer ist auch die Abdampfung der metallischen Komponente, siehe z.B. J.A. Coffmann, G. M. Kibler, T.R. Riethof, A.A. Watts: WADD-TR-60-646 Part I (1960).
Konkrete Ausführungsbeispiele, die das Wesen der Erfindung näher erläu¬ tern, werden im folgenden dargelegt.
(a) Ausführunqsbeispiele für Lampe mit einem Leuchtkörper aus TaC und mit einem festen Kohlenwasserstoff als Quelle
Von den aliphatischen Kohlenwasserstoffen kommen in der Regel wegen des sonst zu niedrigen Schmelzpunktes nur hochmolekulare Verbindungen in Frage (z.B. liegt der Schmelzpunkt von C56Hn4 nur bei knapp unter 100°C, was für die meisten Anwendungen zu wenig ist; es sei denn, der Einsatz von flüssigen Verbindungen ist möglich). Geeigneter sind aromatische Kohlen¬ wasserstoffe wie z.B. Anthracen (Schmelzpunkt 2160C), Naphthacen (Schmelzpunkt 355°C), Coronen (Schmelzpunkt 4400C), die zudem noch den Vorteil haben, dass pro C-Atom erheblich weniger Wasserstoff in die Lampe eingetragen wird. Z.B. liegt der Dampfdruck von Anthracen knapp unterhalb des Schmelzpunktes um 50 mbar, bei 145 0C etwas oberhalb 1 mbar. Durch Lokalisierung der Quelle in einem Bereich geeigneter Tempera¬ tur kann man einen geeigneten Dampfdruck einstellen. Der Dampfdruck des Kohlenwasserstoffs muss etwa so eingestellt werden, dass die sich nach seinem vollständigen Zerfall einstellende molare Konzentration an C-Atomen am TaC Leuchtkörper in der Größenordnung der Gleichgewichtskonzentrati¬ on an C-Atomen über dem Leuchtkörper liegt; der genaue Wert hängt von Details ab (z.B. Abstand der C-Quelle zum Leuchtkörper und zur Senke, Zer¬ fallsgeschwindigkeit der Kohlenwasserstoffe an der Senke, usw.). Bei Ver- wendung von Anthracen als Quelle für Kohlenstoff liegt die geeignete Tem¬ peratur für die Quelle im Bereich zwischen 12O0C und 1500C, wenn der Ab¬ stand zwischen dem auf z.B. 3400 K befindlichen Leuchtkörper und der Quelle ca. 3 cm beträgt und die Abscheidung des Kohlenstoffs nach Zerset¬ zung der Kohlenwasserstoffe an einem bei etwa 4000C - 8000C heißen Ni- ckeldraht erfolgt. Der Kaltfülldruck in einer solchen Lampe liegt im Bereich um 1 bar; das Inertgas (z.B. Argon, Krypton) enthält bevorzugt 2 mbar - 20 mbar Wasserstoff H2, 0,5 mbar CH2Br2 und 2 mbar - 20 mbar Jod. Durch das Brom soll die Abscheidung von Tantal am Kolben verhindert werden (siehe DE-Az 103 56 651.1), und durch das Jod soll der im Laufe der Ver- dampfung und Zersetzung des Anthracens freiwerdende Wasserstoff in Form von HJ gebunden werden. HJ stellt hier eine Senke für den freiwerdenden Wasserstoff dar.
Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine mögliche Bauform der Quelle und Senke für eine einseitig gequetschte Lampe. Die Quelle 6 benützt als Quellenmaterial einen festen Kohlenwasserstoff 8, der auf dem Ende eines drahtförmigen Stabes 9, oft Mittelhalter genannt, aus Wolfram abgeschieden wurde. Der Stab 9 ist gehaltert, indem er mit einer zusätzlichen Folie 11 in der Mitte der Quetschung 3 verbunden ist. Diese kann zur leichteren Einbrin¬ gung einen äußeren Drahtansatz 12 aufweisen, der typisch aus Molybdän besteht.
Die Senke 13 ist durch Überzugswendeln 15 auf einer oder beiden Stromzu¬ führungen 10 realisiert. Diese Wendeln bestehen beispielsweise aus Nickel¬ draht. Dieser kann im Innenvolumen angebracht sein, und zwar in der Nähe der Quetschung, oder sogar bis in die Quetschung hineinragen, wie an der rechten Wendel 15 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel müssen sowohl Quelle als auch Senke bei relativ niedrigen Temperaturen, normalerweise unterhalb ca. 5000C, betrie¬ ben werden, wie man sie nahe der Kolbenwand findet. Hinsichtlich der Ein¬ bringung ist die Verwendung der Stromzuführungen 10 nahe der Quetschung 3 am einfachsten. Alternativ könnte auch die Quelle an der einen Stromzu¬ führung 10 und die Senke an der anderen Stromzuführung 10 befestigt sein.
Das Ende des Mittelhalters 9 ist hier mit dem als Quellenmaterial dienenden Kohlenwasserstoff beschichtet. Zwar ist diese Ausführungsform einfach her¬ zustellen, man muss aber dabei in Kauf nehmen, dass der Transport von der Quelle in die Senke hauptsächlich am Leuchtkörper 7 vorbei erfolgt. Da je¬ doch für die Zersetzung des Kohlenwasserstoffs am Katalysator, der hier von der Senke aus Nickeldraht gebildet ist, eine bestimmte Zeit benötigt wird, stellt sich im stationären Zustand in der gesamten Gasphase, auch außer¬ halb des direkten Weges von der Quelle zur Senke, eine erhöhte Konzentra- tion an Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenstoff ein.
Von Vorteil für die Funktionsweise ist daher die Verwendung einer Anord¬ nung wie in Figur 2, wo die Quelle 16 aus einem in der Pumpspitze 17 ein¬ gequetschten Halter 18 aus Wolfram besteht, an dessen dem Leuchtkörper 7 zugewandten Ende das Quellenmaterial 19 sitzt, nämlich ein Kohlenwasser- stoff, der als Feststoff abgeschieden wurde.
Die Senke ist hier durch den unteren, quetschungsnahen Teil 21 der Strom¬ zuführungen 22 realisiert. Dieser Teil 21 besteht aus Molybdän, der als Kata¬ lysator bei der Zersetzung der Kohlenwasserstoffe dient. Der obere Teil 20 der Stromzuführung ist integral vom Karbid des Leuchtkörpers gebildet. Die unteren Teile 21 ragen bis in die Quetschung hinein.
Bei dieser geometrische Anordnung befindet sich der Leuchtkörper 7 im Ma¬ terialstrom, der sich von der Quelle 16 zur Senke 21 ausbildet. In Figur 2 be¬ steht der untere Teil der inneren Stromzuführung 22 aus Molybdän, das als Katalysator bei der Zersetzung der Kohlenwasserstoffe und somit als Senke wirkt.
(b) Ausführungsbeispiel für eine Lampe mit einem Leuchtkörper aus TaC und mit einer Kohlenstoffquelle
Der aus TaC bestehende Leuchtkörper 23, siehe Figur 3, wird bei einer Temperatur zwischen 3300 K und 3600 K betrieben. Zur Erzeugung eines geeigneten Kohlenstoff-Partialdrucks am Ort des TaC-Leuchtkörpers wird die Kohlenstoff-Quelle 24 im Temperaturbereich zwischen 2700 K und 3000 K gehalten. Zur Vermeidung der Abscheidung des Kohlenstoffs an der Kolben- wand und den Transport des Kohlenstoffs zur Senke wird dem Inertgas (Krypton, Argon) Wasserstoff zugegeben, und zwar so, dass der Partialdruck des Wasserstoffs im Bereich bevorzugt zwischen 2 mbar H2 und 20 mbar H2 liegt. In diesem Fall wird aus der Quelle kein Wasserstoff freigesetzt, so dass keine Senke für Wasserstoff benötigt wird. Die Kohlenstoff-Quelle befindet sich auf einer so hohen Temperatur, dass hier keine direkte Reaktion mit dem Wasserstoff erfolgt. Als Senke zur Zersetzung des Kohlenwasserstoffs eignet sich z.B. wieder bei 4000C - 8000C betriebene Drähte oder Plättchen aus Nickel oder Eisen oder Molybdän, oder bei Temperaturen um 5000C be¬ triebenes Alumosilikat.
Figur 3 zeigt eine mögliche Geometrie für eine solche Lampe. Als Kohlen¬ stoff-Quelle 24 fungieren C-Abscheidungen im „oberen" Bereich der Strom¬ zuführungen 25 nahe des Übergangsbereichs zur Wendel 23, wo bereits vergleichsweise hohe Temperaturen vorliegen. Je nach Ausführungsform der Wendel hinsichtlich der Wendeltemperaturprofils kann auch eine Kohlenstoff- Abscheidung auf den äußeren Windungen des Leuchtkörpers zweckmäßig sein. Die Stromzuführung ist hier ein integraler Abgang von der Wendel 23. Statt der C-Abscheidungen können auch C-Fasern um den Abgang gewickelt werden. Die Senke 26 ist hier eine Überzugswendel aus Eisen, die mit Platin beschichtet ist. Sie ist in der Nähe der Quetschung , also bei deutlich Tempe- raturen angebracht. (c) Beispiel für eine Geometrie mit einer auf der Wendelachse angeordneten Quelle
Ein Beispiel einer Quelle, die auf der Achse des Leuchtkörpers angeordnet ist, ist in Figur 4 gezeigt. Hier befindet sich ein aus TaC bestehender Stab 27 in der Lampenachse, die gleichzeitig die Achse des Leuchtkörper ist. Der Stab 27 weist im Bereich der Wendel 28 in etwa dasselbe Temperaturprofil auf wie die Wendel selbst. Die Wendel ist so weit gewickelt, dass der Stab 27 berüh¬ rungslos in ihre Achse hineinpasst. Die Senke ist wieder durch Überzugs¬ wendeln 26 gebildet, wie in Figur 3. Sie bestehen aus Molybdän. Der Stab 27 ist durch einen Mittelhalter 9 ähnlich wie in Figur 1 gehaltert. Er kann sich insbesondere bis in eine Pumpsitze 29 erstrecken, siehe gestrichelte Ausfüh¬ rungsform. Dadurch ist er besser arretiert.
(d) Beispiel für die Anwendung bei einer zweiseitig gequetschten Lampe
Figur 5 zeigt eine mögliche Anordnung für eine zweiseitig gequetschte Lam- pe 30. Hier kann man vorteilhaft Quelle 31 und Senke 32 auf den verschie¬ denen Seiten des Leuchtkörpers 33 anordnen, so dass sich der Leuchtkörper 33 aufgrund der geometrischen Anordnung im Transportstrom von der Quelle 31 zur Senke 32 befindet. Die Quetschungen sind mit 39 bezeichnet.
Die Quelle 31 ist eine Kohlenstoffabscheidung (Ruß) oder eine um die Stromzuführung 34 gewickelte Kohlenstoff-Faser. Die Senke 32 ist der Teil einer Stromzuführung, der aus Molybdän gefertigt ist und vom Leuchtkörper 33 abgewandt angeordnet ist. Dieser Teil ist über einen Schweißpunkt 35 mit dem Abgang 36 des Leuchtkörpers aus TaC verbunden.
Vorteilhaft steht hier auf beiden Seiten des Leuchtkörpers 33 in axialer Rich- tung das gesamte Temperaturspektrum zur Verfügung, so dass z.B. die C- Quelle bei relativ hohen Temperaturen in der Nähe des Leuchtkörpers und die Senke bei niedrigeren Temperaturen weiter weg vom Leuchtkörper auf der anderen Seite angeordnet werden kann. In dem in Figur 5 gezeigten Beispiel wirkt der Molybdän-Abgang als Senke. AIs Leuchtkörpermaterial ist ein Metall oder eine Metallverbindung geeignet, dessen Schmelzpunkt in der Nähe des Schmelzpunkts von Wolfram, bevorzugt bei mindes¬ tens 3000 0C und besonders bevorzugt oberhalb dem von Wolfram, liegt. Neben Wolfram kommt dabei insbesondere Rhenium, Osmium und Tantal in Frage.

Claims

Ansprüche
1. Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige Metallverbindung enthält (7) und mit Stromzuführungen (10), die den Leucht¬ körper (7) haltern, wobei der Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben (2) vakuumdicht eingebracht ist, wobei das Material des Leuchtkörpers ein Metall oder eine Metallverbindung, insbesondere ein Metallcarbid, aufweist, des¬ sen Schmelzpunkt in der Nähe des Schmelzpunkts von Wolfram, bevorzugt bei mindestens 3000 0C und besonders bevorzugt oberhalb dem von Wolfram, liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper ein Material enthält, das be¬ dingt durch chemische Zersetzung und/oder Verdampfung im Betrieb an mindestens einem chemischen Element verarmt, und dass im Kolben eine
Quelle und eine Senke für dieses Element angebracht ist, wobei die Quelle das Element liefert, an welchem der Leuchtkörper verarmt und wobei an der Senke das Element, welches der Leuchtkörper während der Lebens¬ dauer fortwährend emittiert, abgeschieden wird, so dass es insgesamt zu einem kontinuierlichen Fluss des beschriebenen Elements von der Quelle zur Senke kommt, wobei die Konzentration des betreffenden Elements, von An lauf prozessen abgesehen, an jedem Ort in der Lampe im wesentlichen stationär ist, wobei der Leuchtkörper im stationären Betrieb mit der von au¬ ßen durch das Zusammenwirken von Quelle und Senke aufgeprägten Par- tialatmosphäre aus dem an ihm ständig vorbeitransportierten Element im
Gleichgewicht steht, so dass eine Verarmung des Leuchtkörpers an dem fraglichen Element verhindert wird.
2. Glühlampe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper von einem Kolben aus Glas, insbesondere Quarzglas oder Hartglas, oder Keramik, insbesondere AI2O3, umgeben ist.
3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zumin¬ dest ein Grundgas in Form eines Inertgases, insbesondere Edelgas und/oder Stickstoff, verwendet.
4. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Me¬ tallverbindung um ein Metallkarbid, wie z.B. Tantalkarbid, Zirkoniumkarbid oder Hafniumkarbid oder Legierungen verschiedener Metallkarbide handelt.
5. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle aus ei- nem festen oder flüssigen Kohlenwasserstoff oder halogenierten Kohlen¬ wasserstoff besteht, der im Temperaturbereich zwischen 1000C und 4000C betrieben wird, und der bei der Zersetzung Kohlenstoff freisetzt.
6. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle aus Koh¬ lenstoff, insbesondere aus Ruß oder Graphitfasern oder -gewebe oder Koh- lenstoffpresslingen, besteht, wobei der Transport des Kohlenstoffs zur Sen¬ ke durch zusätzlich eingebrachtes Material, als Bestandteil der Füllung, aus der Gruppe Wasserstoff und/oder Halogen erfolgt, wobei dieses Material in kälteren Bereichen mit dem Kohlenstoff zu Kohlenwasserstoffen bzw. halo¬ genierten Kohlenwasserstoffen reagiert, wobei dieser Kohlenwasserstoff sich an der Senke unter Abscheidung des Kohlenstoffs und Freisetzung des Transportmittels wieder zersetzt.
7. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle aus ei¬ nem mit dem entsprechenden Metallkarbid beschichteten Graphitkörper, insbesondere Graphitfaser, besteht, wobei der Transport des Kohlenstoffs zur Senke durch zusätzlich eingebrachtes Material, als Bestandteil der Fül¬ lung, aus der Gruppe Wasserstoff und/oder Halogen erfolgt, wobei dieses Material in kälteren Bereichen mit dem Kohlenstoff zu Kohlenwasserstoffen bzw. halogenierten Kohlenwasserstoffen reagiert, wobei dieser Kohlenwas¬ serstoff sich an der Senke unter Abscheidung des Kohlenstoffs und Frei- setzung des Transportmittels wieder zersetzt.
8. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle aus ei¬ nem Kohlenstoff enthaltenden Sinterwerkstoff besteht, wobei der Transport des Kohlenstoffs zur Senke durch zusätzlich eingebrachtes Material, als Bestandteil der Füllung, aus der Gruppe Wasserstoff und/oder Halogen er¬ folgt, welche in kälteren Bereichen mit dem Kohlenstoff zu Kohlenwasser¬ stoffen bzw. halogenierten Kohlenwasserstoffen reagieren, wobei dieser Kohlenwasserstoff sich an der Senke unter Abscheidung des Kohlenstoffs und Freisetzung des Transportmittels wieder zersetzt.
9. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Quelle für den Kohlenstoff ein in der Nähe des Leuchtkörpers befestigter Stab, insbesonde¬ re ein axial angeordneter Stab, aus demselben Metallkarbid wie der Leucht¬ körper dient, dessen longitudinales Temperaturprofil demjenigen des aus demselben Metallkarbid bestehenden Leuchtkörpers entspricht, und Was¬ serstoff und ggf. Halogen, als Mittel zum Transport des Kohlenstoffs zur Senke verwendet wird.
10. Glühlampe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Quelle für den Kohlenstoff ein in der Nähe der Achse des Leuchtkörpers befestigter Stab aus einem zweiten Metallkarbid dient, dessen Dampfdruck bei einer gegebenen Temperatur höher ist als derjenige des Metallkarbids des Leuchtkörperdrahtes, um die Verluste durch Wärmeleitung längs des in der Achse der Wendel befestigten Drahtes zu kompensieren, und Wasserstoff, und ggf. Halogen, als Mittel zum Transport des Kohlenstoffs zur Senke verwendet wird.
11. Glühlampe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke für den Kohlenstoff aus einem katalytisch wirkenden Metall, ins¬ besondere Nickel oder Eisen oder Molybdän oder Kobalt oder Platin, be¬ steht, an welchem sich die, ggf. halogenierten, Kohlenwasserstoffe unter Abscheidung von Kohlenstoff und Freisetzung von Wasserstoff und ggf.
Halogen zersetzen.
12. Glühlampe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke für den Kohlenstoff aus einem Karbide bildenden Metall besteht, insbesondere aus Eisen oder Molybdän oder Wolfram oder Tantal oder Ni- ob, an welchem sich die Kohlenwasserstoffe unter Bildung von Metallkarbi- den und Freisetzung von Wasserstoff zersetzen.
13. Glühlampe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke für den Kohlenstoff aus Aluminium-, Magnesium- oder Molyb¬ dänsilikaten besteht.
14. Glühlampe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Jod enthält, wobei der freigesetzte Wasserstoff durch Re¬ aktion mit Jod zu Jodwasserstoff gebunden wird, so dass das Jod die Funk¬ tion einer gasförmigen Senke für den Wasserstoff hat.
15. Glühlampe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der freigesetzte Wasserstoff durch die heiße Quarzkolbenwand ent- weicht, so dass die Senke für den Wasserstoff durch die Permeation der heißen Kolbenwand zur Verfügung gestellt ist.
16. Glühlampe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben ein zu Wasserstoff affines Metall eingebracht ist, wobei der freigesetzte Wasserstoff von dem zu Wasserstoff affinem Metall, insbeson- dere Zirkonium oder Hafnium oder Niob oder Tantal, gebunden oder „ge- gettert" wird.
17. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Quelle ein fluorierter, insbesondere perforierter, Kohlenwasserstoff, insbesondere PTFE verwendet wird, der bei hohen Temperaturen als Zersetzungsproduk- te perfluorierte Kohlenstoffverbindungen liefert.
18. Glühlampe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff mittels Halogen, bevorzugt Chlor, zur Senke transportiert wird, die aus ei¬ nem katalytisch wirkenden Metall oder einem Karbide bildenden Metall, insbesondere Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt, Platin, Wolfram oder Tantal, besteht.
19. Glühlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Füllgas zusätzlich eine halogenhaltige Verbindung, und ggf. Wasserstoff, Schwefel oder eine cyanidhaltige Verbindung enthält, um das Metall sowie ggf. den Kohlenstoff, an der Abscheidung an der Kolben- wand zu hindern und möglichst vollständig zum Leuchtkörper zurück zu transportieren.
20. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit dem Material, an welchem er verarmt und das aus einer Quelle wieder zugeführt werden soll, beschichtet ist und eine erste Schicht bildet und dann darauf eine zweite Schicht des eigentlichen Leuchtkörper-Materials von außen auf diese erste
Schicht aufgebracht ist.
21. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle aus einem zuerst mit Kohlenstoff in einer ersten Schicht und dann mit Metallcarbid in einer zweiten Schicht beschichteten Körper aus demselben oder einem weiteren Metall- carbid besteht, wobei der Transport des Kohlenstoffs zur Senke durch zusätzlich eingebrachtes Material, als Bestandteil der Füllung, aus der Gruppe Wasserstoff und/oder Halogen erfolgt, wobei dieses Material in kälteren Bereichen mit dem Kohlenstoff zu Kohlenwasserstoffen bzw. halogenierten Kohlenwasserstoffen rea¬ giert, wobei dieser Kohlenwasserstoff sich an der Senke unter Abscheidung des Kohlenstoffs und Freisetzung des Transportmittels wieder zersetzt.
22. Glühlampe nach Anspruch 21 , wobei es sich bei der äußeren zweiten Schicht um eine Legierung verschiedener Metallcarbide, bevorzugt einer Legierung aus Tan- talcarbid und Hafniumcarbid, handelt.
23. Glühlampe nach Anspruch 4, wobei die Quelle aus reinem Kohlenstoff oder einer Kohlenstoff enthaltenden Verbindung gemäß einem der vorherigen Ansprüche ge¬ bildet wird, während die Senke durch Freisetzung von Kohlenstoff am Gestell, das hier chemisch indifferent ist, in einem begrenzten Temperaturbereich durch ein Gasphasenreaktionssystem realisiert ist.
24. Glühlampe nach den Ansprüchen 4 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoff-Schwefel System zur Rückführung des Kohlenstoffs zum Leuchtkörper verwendet wird, und am Gestell an einer Stelle, die im Betrieb Temperaturen o- berhalb 2150 K, bevorzugt oberhalb ca. 2200 K, besonders bevorzugt oberhalb 2250 K, eine Kohlenstoff-Beschichtung als Quelle aufgebracht ist, und dass au¬ ßerdem die Senke durch die Disproportionierungsreaktion im CS System bei Temperaturen unterhalb 2250, bevorzugt unterhalb ca. 2200 K, besonders bevor¬ zugt unterhalb 2150 K, realisiert ist.
25. Glühlampe nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei der Leuchtkörper aus einem Me- tall besteht.
26. Glühlampe nach Anspruch 25, gekennzeichnet dadurch, dass der Leuchtkörper aus Wolfram besteht, und eine hochmolekulare Kohlenstoff und Fluor enthaltende Verbindung sich über die Lebensdauer der Lampe langsam zersetzt, wobei Fluor freigesetzt wird, welches an einem im Temperaturbereich zwischen 1600 K und 2400 K angebrachten Wolfram-Reservoir zu Wolframfluoriden reagiert und damit die Funktion einer Quelle hat, welche Wolfram bevorzugt zu den heißesten Stellen am Leuchtkörper zurück transportiert, und wobei das Fluor aus den nicht am Leuchtkörper umgesetzen Wolframfluoriden an der Kolbenwand zu gasförmigem SiF4 abreagiert bzw. das Wolfram durch eine überlagerten Brom-Kreisprozess an kälteren Stellen des Gestells abgelagert wird und damit die Funktion einer Senke für Wolfram und Fluor hat.
27. Glühlampe mit einem Leuchtkörper aus einem Metall oder einer hochtemperatur¬ beständigen Metallverbindung, umgeben von einem Kolben aus Quarzglas, Hart¬ glas oder Keramik, wobei der Kolben eine Füllung enthält, die zumindest ein Inert- gas und ein chemisches Transportmittel enthält, wobei Edelgas und/oder Stickstoff als Inertgas verwendet werden, gekennzeichnet dadurch, dass das chemische Transportmittel, welches zum Klarhalten des Kolbens bzw. zur Rückführung des Materials zum Leuchtkörper eingesetzt wird, kontinuierlich aus einer Quelle austritt und in einer Senke gebunden wird, wobei sich nach einer Anlaufphase eine statio¬ näre Konzentration in der Gasphase einstellt.
28. Glühlampe nach Anspruch 27, wobei der Leuchtkörper aus einem Metallcarbid be¬ steht und ein Kohlenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess zum Freihalten der Kolben¬ wand benutzt wird, gekennzeichnet dadurch, dass der Wasserstoff ständig aus heißeren Stellen des aus Tantal oder Niob oder Zirkonium bestehenden Gestells bzw. dem Leuchtkörper selber austritt und an kälteren Stellen des ebenfalls aus den genannten Metallen bestehenden Teilen des Gestells wieder gebunden wird, oder bei höheren Temperaturen durch eine Kolbenwand aus Quarz wieder nach außen diffundiert.
29. Glühlampe nach Anspruch 27, wobei der Leuchtkörper aus einem Metallcarbid be¬ steht und ein Kohlenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess zum Freihalten der Kolben¬ wand benutzt wird, gekennzeichnet dadurch, dass der Wasserstoff aus der heißen Kolbenwand aus Quarz mit erhöhtem OH-Gehalt austritt und an kälteren Stellen des aus Tantal, Niob, oder Zirkonium bestehenden Teilen des Gestells wieder ge- bunden wird.
30. Glühlampe nach Anspruch 27, wobei der Leuchtkörper aus einem Metallcarbid be¬ steht und das Kohlenstoff-Schwefel-Transportsystem zur Rückführung des Koh¬ lenstoffs zum Glühkörper benutzt wird, gekennzeichnet dadurch, dass der Schwe¬ fel einerseits an den kälteren Stellen des bevorzugt aus reinen Metallen bestehen- den Teilen des Gestells bzw. der Wendelabgänge ständig der Gasphase unter Bil¬ dung von Metallsulfiden entzogen wird, andererseits jedoch permanent durch die Verdampfung von reinem Schwefel, Schwefel enthaltenden organischen Substan¬ zen wie CH3CSCH3 oder Mercaptanen nachgeliefert wird.
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