JP2008518409A - 高耐熱性の金属化合物を含有する発光体を備えた白熱ランプ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式の、高耐熱性の金属化合物を含有する発光体を備えた白熱ランプ、すなわち高耐熱性の金属化合物を含有する発光体と、該発光体を保持する電流供給部とを備えた白熱ランプであって、発光体が、充填物と共にバルブ(電球)内に真空密に導入されており、発光体の材料が、タングステンの融点の近傍にある融点、有利には少なくとも3000℃、特に有利にはタングステンの融点よりも上にある融点を有する金属または金属化合物、特に金属炭化物を有している形式のものに関する。この白熱ランプは特に炭化物含有の発光体を備えた白熱ランプであり、特に本発明は、TaCから成る発光体を有するか、または発光体がTaCを成分または被覆体として含有しているハロゲン白熱ランプに関する。
多数の刊行物から、高耐熱性の金属化合物を含有する発光体を備えた白熱ランプが知られている。これまでまだ解決されていない問題として、著しく制限された寿命が挙げられる。国際公開第01/15206号パンフレットに開示されている手段は、発光体を保持のための別個の架台に結合することにある。
(a)タングステン−ハロゲン循環プロセス
発光体から蒸発し去ったタングステンは、バブル壁近傍のより低い温度で結合してハロゲン化タングステンを形成する。ハロゲン化タングステンは約200℃よりも上の温度において揮発性であり、バルブ壁には析出しない。これにより、バルブ壁におけるタングステンの沈殿が阻止される。ハロゲン化タングステン化合物は拡散および場合によっては対流によって、高温の発光体へ戻し運ばれ、そしてこの発光体のところでハロゲン化タングステン化合物は分解する。このときに遊離したタングステンは再び発光体に付着される。もちろん、タングステンは一般に、蒸発し去った個所と同じ個所に戻されるのではなく、別の温度の個所に付着される。すなわち、この循環プロセスは再生型ではない。1つの例外はフッ素循環プロセスである。
TaCの分解時に発生するガス状の炭素はバルブ壁の方向に運ばれ、そしてバルブ壁のところでこのガス状の炭素は水素と反応してメタンのような炭化水素を形成する。この炭化水素は高温の発光体に戻し運ばれ、そして再び分解する。炭素はこの場合再び放出されて、発光体に付着することができる。もちろん、炭化水素は既に1000Kよりも下の低い温度において分解するので、炭素を発光体の最も高温の個所を狙って戻すことは行われない。
(a)第1に、発光体の材料が比較的迅速に蒸発し去るか、もしくは運び去られ、
(b)第2に、蒸発し去った材料が、極めて低い温度においてしか化学的な結合を成立させない、
という循環プロセスの使用が多くの使用事例にとって不十分となる。なぜならば、材料がもともと運び去られた個所と同じ個所に戻される確率が極めて少ないことに基づき、発光体が迅速に破壊されてしまうからである。
本発明の課題は、請求項1の上位概念部に記載の形式の、高耐熱性の金属化合物および特に炭化物含有の発光体あるいはまた金属を含有する発光体を備えた白熱ランプを改良して、長い寿命を可能にしかつ発光体における蒸発し去った成分の濃度減少の問題を克服するような白熱ランプを提供することである。
(a)タングステンから成るコイル状の白熱フィラメントから蒸発し去ったタングステンは、コンベンショナルな白熱ランプではバルブ壁にまで運ばれて、このバルブ壁に析出する。
以下に、本発明の複数の実施例を図面につき詳しく説明する。
図2は、本発明の第2実施例による炭化物−発光体を備えた白熱ランプを示しており、
図3〜図5は、それぞれ本発明の別の実施例による炭化物−発光体を備えた白熱ランプを示している。
図1には、片側でプレス封止された白熱ランプ1が図示されている。この白熱ランプ1は石英ガラスから成るバルブ(電球)2と、プレス封止部3と、複数の内部の電流供給部10とを備えている。これらの電流供給部10はプレス封止部3内の箔4を発光体7に接続している。発光体7は、単コイル巻きの、軸方向に配置された、TaCから成る線材である。この線材の端部14は巻かれておらず、ランプ軸線に対して直交する横方向に突出している。外側のリード線5は外部で箔4に当て付けられている。
芳香族炭化水素に関しては、一般に、融点が通常では低すぎるという理由で高分子量の化合物しか挙げられない(たとえばC56H114の融点は100℃を少し下回る温度でしかなく、このことはたいていの使用のために低すぎてしまう;ただし液状の化合物の使用が可能となる場合は別として)。芳香族炭化水素、たとえばアントラセン(融点216℃)、ナフタセン(融点355℃)、コロネン(融点440℃)が適している。これらの芳香族炭化水素はさらに、C原子1個当たりかなり少量の水素しかランプ内に持ち込まれないという利点をも有している。たとえば、アントラセンの蒸気圧は50ミリバール付近で融点よりも少しだけ低くなり、1ミリバールよりも少しだけ上では145℃となる。適当な温度の範囲におけるソースの位置を特定することにより、適当な蒸気圧を調節することができる。炭化水素の蒸気圧は、たとえばその完全な分解の後に生じた、TaC発光体におけるC原子のモル濃度が、発光体にわたるC原子の平衡濃度のオーダ内にあるように調節されなければならない;正確な値は細部に関連する(たとえば発光体およびシンクに対するCソースの間隔、シンクにおける炭化水素の分解速度等)。炭素のためのソースとしてアントラセンが使用される場合、たとえば3400Kに位置する発光体とソースとの間の間隔が約3cmでありかつ炭化水素の分解後の炭素の析出が、約400〜800℃の高温のニッケル線材に対して行われると、ソースのための適当な温度は120〜150℃である。このようなランプ内の低温充填圧は約1バールの範囲にある;不活性ガス(たとえばアルゴン、クリプトン)は有利には水素H22ミリバール〜20ミリバール、CH2Br20.5ミリバールおよびヨウ素2ミリバール〜20ミリバールを含有している。臭素によって、バルブにおけるタンタルの析出が阻止されることが望ましく(ドイツ連邦共和国特許出願第10356651.1号明細書参照)、そしてヨウ素はアントラセンの蒸発および分解の途中で放出される水素がHJの形で結合されることが望ましい。HJはこの場合、放出した水素のためのシンクを成す。
TaCから成る発光体23(図3参照)は、3300K〜3600Kの温度で作動される。TaCから成る発光体の位置する個所に適当な炭素分圧を形成するために、炭素ソース24は2700K〜3000Kの温度範囲に保持される。バルブ壁における炭素の析出を回避し、かつ炭素をシンクにまで運ぶために、不活性ガス(クリプトン、アルゴン)には水素が添加される。この場合、水素は、水素の分圧が有利にはH22ミリバール〜20ミリバールの範囲となるように添加される。この場合には、ソースから水素が放出されないので、水素のためのシンクは必要とされない。炭素ソースは、水素との直接的な反応が行われないような高さの温度にある。炭化水素の分解のためのシンクとしては、たとえば再び400〜800℃作動されるニッケルまたは鉄またはモリブデンから成る線材またはプレート、または約500℃の温度で作動されるアルミノケイ酸塩が適している。
図4には、発光体の軸線に配置されたソースの1例が示されている。この場合、TaCから成るロッド27がランプ軸線に位置しており、したがってこのランプ軸線は同時に発光体の軸線でもある。ロッド27はフィラメント28の範囲において、フィラメントとほぼ同じ温度分布を有している。フィラメントは、ロッド27が無接触にフィラメントの軸線に嵌入するように巻かれている。シンクは再び図3におけるような被覆つる巻き体26により形成されている。シンクはモリブデンから成っている。ロッド27は図1の場合と同様にセンタホルダ9によって保持されている。ロッド27は特にポンプ先端29にまで延びていてよい(破線で示した構成参照)。これにより、ロッドは一層良好に係止されている。
図5には、両側でプレス封止されたランプ30のための可能な配置が示されている。この場合、有利にはソース31とシンク32とを発光体33の互いに異なる側に配置することができる。これにより、発光体33はこのジオメトリ的な配置に基づき、ソース31からシンク32への運搬流内に位置している。プレス封止部は符号39で示されている。
Claims (30)
- 高耐熱性の金属化合物を含有する発光体(7)と、該発光体(7)を保持する電流供給部(10)とを備えた白熱ランプであって、発光体(7)が、充填物と共にバルブ(2)内に真空密に導入されており、発光体(7)の材料が、タングステンの融点の近傍にある融点、有利には少なくとも3000℃、特に有利にはタングステンの融点よりも上にある融点を有する金属または金属化合物、特に金属炭化物を有している形式のものにおいて、発光体(7)が、作動時における化学的な分解および/または蒸発に基づいて濃度減少する少なくとも1種の化学的な元素を含有する材料を有しており、該元素のためのソースとシンクとがバルブに設けられており、ソースは、発光体において濃度減少する元素を提供し、シンクには、発光体が寿命にわたって常時放出する元素が析出されて、全体的にソースからシンクへの前記元素の連続的な流れが生じるようになっており、しかも当該元素の濃度は、始動プロセスは別として、ランプ内でのいかなる個所でもほぼ定常となり、発光体(7)が、定常作動中に、外部からソースとシンクとの協働により付与された、常時発光体の傍らを通って運ばれる当該元素から成る部分雰囲気と平衡していて、発光体中の当該元素の濃度減少が阻止されるようになっていることを特徴とする、高耐熱性の金属化合物を含有する発光体を備えた白熱ランプ。
- 発光体が、ガラス、特に石英ガラスまたは硬質ガラスまたはセラミックス、特にAl2O3から成るバルブによって取り囲まれている、請求項1記載の白熱ランプ。
- 充填物が、不活性ガス、特に希ガスおよび/または窒素の形の少なくとも1種のベースガスを使用している、請求項1記載の白熱ランプ。
- 金属化合物が、金属炭化物、たとえば炭化タンタル、炭化ジルコニウムまたは炭化ハフニウムまたは種々の金属炭化物の合金である、請求項1記載の白熱ランプ。
- ソースが、100〜400℃の温度範囲で作動され、かつ分解時に炭素を放出する固体または液体の炭化水素またはハロゲン化炭化水素から成っている、請求項4記載の白熱ランプ。
- ソースが、炭素、特にカーボンブラックまたは黒鉛繊維または黒鉛織布または炭素プレス加工物から成っており、シンクへの炭素の運搬が、水素および/またはハロゲンのグループからの、充填物の成分である付加的に導入された材料によって行なわれ、しかも該材料は低温の範囲で炭素と反応して炭化水素もしくはハロゲン化炭化水素を形成し、該炭化水素が、シンクで再び分解されて炭素を析出し、かつ運搬媒体を放出させる、請求項4記載の白熱ランプ。
- ソースが、相応する金属炭化物で被覆された黒鉛体、特に黒鉛繊維から成っており、シンクへの炭素の運搬が、水素および/またはハロゲンのグループからの、充填物の成分である付加的に導入された材料によって行なわれ、しかも該材料は低温の範囲で炭素と反応して炭化水素もしくはハロゲン化炭化水素を形成し、該炭化水素が、シンクで再び分解されて炭素を析出し、かつ運搬媒体を放出させる、請求項4記載の白熱ランプ。
- ソースが、炭素を含有する焼結材料から成っており、シンクへの炭素の運搬が、水素および/またはハロゲンのグループからの、充填物の成分である付加的に導入された材料によって行なわれ、しかも該材料は低温の範囲で炭素と反応して炭化水素もしくはハロゲン化炭化水素を形成し、該炭化水素が、シンクで再び分解されて炭素を析出し、かつ運搬媒体を放出させる、請求項4記載の白熱ランプ。
- 炭素のためのソースとして、発光体と同一の金属炭化物から成る、発光体の近傍に取り付けられたロッド、特に軸方向に配置されたロッドが働き、該ロッドの長手方向の温度分布が、同一の金属炭化物から成る発光体の温度分布に相当しており、炭素をシンクへ運ぶための媒体として水素および場合によってはハロゲンが使用される、請求項4記載の白熱ランプ。
- 炭素のためのソースとして、発光体の軸線の近傍に取り付けられた、第2の金属炭化物から成るロッドが働き、該ロッドの蒸気圧が、与えられた所定温度で発光体線材の金属炭化物の蒸気圧よりも高く設定されていて、これによりつる巻き線状フィラメントの軸線内に取り付けられた線材に沿った熱伝導による損失が補償されるようになっており、炭素をシンクへ運ぶための媒体として水素および場合によってはハロゲンが使用される、請求項1記載の白熱ランプ。
- 炭素のためのシンクが、触媒作用を有する金属、特にニッケルまたは鉄またはモリブデンまたはコバルトまたは白金から成っており、該金属のもとで、場合によってはハロゲン化された炭化水素が、炭素の析出下および水素および場合によってはハロゲンの放出下に分解する、請求項5から10までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- 炭素のためのシンクが、炭化物を形成する金属、特に鉄またはモリブデンまたはタングステンまたはタンタルまたはニオブから成っており、該金属のもとで炭化水素が、金属炭化物の形成下および水素の放出下に分解する、請求項5から10までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- 炭素のためのシンクが、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウムまたはケイ酸モリブデンから成っている、請求項5から10までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- 充填物がヨウ素を含有しており、放出された水素が反応によってヨウ素と結合されてヨウ化水素を形成し、ヨウ素が、水素のためのガス状のシンクの機能を有している、請求項11から13までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- 放出された水素が、高温の石英バルブ壁を通って逃出し、水素のためのシンクが、高温のバルブ壁の透過によって提供されている、請求項11から13までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- バルブ内に、水素に対して親和性の金属が導入されており、放出された水素が、水素に対して親和性の金属、特にジルコニウムまたはハフニウムまたはニオブまたはタンタルによって結合されるか、または「ゲッタリング」される、請求項11から13までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- ソースとして、高い温度で分解生成物として過フッ素化炭素化合物を供給するフッ素化炭化水素、特に過フッ素化炭化水素、特にPTFEが使用される、請求項4記載の白熱ランプ。
- 炭素が、ハロゲン、有利には塩素によって、触媒作用を有する金属または炭化物を形成する金属、特にニッケル、鉄、モリブデン、コバルト、白金、タングステンまたはタンタルから成るシンクへ運ばれる、請求項17記載の白熱ランプ。
- 金属ならびに場合によっては炭素がバルブ壁に析出することを阻止し、かつ金属ならびに場合によっては炭素をできるだけ完全に発光体へ戻し運ぶために、充填ガスが、付加的にハロゲン含有の化合物および場合によっては水素、硫黄またはシアン化物含有の化合物を含有している、請求項1から18までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- 発光体が、該発光体において濃度減少しかつソースから再び供給されるべき材料で被覆されていて、第1の層を形成しており、次いで該第1の層に外部から本来の発光体材料の第2の層が被着されている、請求項4記載の白熱ランプ。
- ソースが、まず第1の層で炭素で被覆され、次いで第2の層で金属炭化物で被覆された、同一または別の金属炭化物から成る物体から成っており、シンクへの炭素の運搬が、水素および/またはハロゲンのグループからの、充填物の成分である付加的に導入された材料によって行なわれ、該材料が、低温の領域で炭素と反応して炭化水素もしくはハロゲン化炭化水素を形成し、該炭化水素が、シンクのところで炭素の析出下および運搬媒体の放出下に再び分解する、請求項4記載の白熱ランプ。
- 外側の第2の層が、種々の金属炭化物の合金、有利には炭化タンタルと炭化ハフニウムとから成る合金である、請求項21記載の白熱ランプ。
- ソースが、請求項1から22までのいずれか1項記載の純粋な炭素または炭素を含有する化合物から形成され、シンクが、化学的に不活性であるフレームにおける炭素の放出によって、制限された温度領域で気相反応系により実現されている、請求項4記載の白熱ランプ。
- 炭素−硫黄系が、炭素を発光体に戻し運ぶために使用され、フレームの、作動時に2150Kよりも上の温度、有利には約2200Kよりも上の温度、特に有利には2250Kよりも上の温度が生ぜしめられる個所に、炭素被覆体がソースとして被着されており、さらにシンクが、2250Kよりも下の温度、有利には約2200Kよりも下の温度、特に有利には2150Kよりも下の温度でCS系における不均化反応によって実現されている、請求項4または23記載の白熱ランプ。
- 発光体が金属から成っている、請求項1から3までのいずれか1項記載の白熱ランプ。
- 発光体がタングステンから成っており、炭素およびフッ素を含有する高分子量の化合物が、ランプの寿命にわたってゆっくりと分解し、フッ素が放出され、該フッ素が、1600K〜2400Kの温度範囲に取り付けられたタングステンリザーバで反応してフッ化タングステンを形成し、ひいてはソースの機能を有しており、該ソースがタングステンを有利には発光体の最も高温の個所へ戻し運び、発光体で反応されなかったフッ化タングステンからのフッ素が、バルブ壁で分解反応してガス状のSiF4を形成するか、もしくはタングステンが、重畳された臭素循環プロセスによってフレームの低温の個所に堆積され、ひいてはタングステンおよびフッ素のためのシンクの機能を有している、請求項25記載の白熱ランプ。
- 石英ガラス、硬質ガラスまたはセラミックスから成るバルブにより取り囲まれた、金属または高耐熱性の金属化合物から成る発光体を備えた白熱ランプであって、バルブが、少なくとも1種の不活性ガスと化学的な運搬媒体とを含有する充填物を有しており、不活性ガスとして希ガスおよび/または窒素が使用される形式のものにおいて、バルブの澄明保持もしくは発光体への材料の戻し案内のために使用される化学的な運搬媒体が、連続的にソースから流出してシンクで結合され、ただし始動段階の後に気相中に定常の濃度が生じることを特徴とする白熱ランプ。
- 発光体が、金属炭化物から成っており、バルブ壁を付着物なしに保持するために炭素−水素循環プロセスが使用され、水素が、タンタルまたなニオブまたはジルコニウムから成るフレームの高温の個所もしくは発光体自体から常時流出して、フレームの、同じく上で挙げた金属から成る部分の低温の個所で再び結合されるか、またはより高い温度で石英から成るバルブ壁を通じて再び外部へ拡散する、請求項27記載の白熱ランプ。
- 発光体が、金属炭化物から成っており、バルブ壁を付着物なしに保持するために炭素−水素循環プロセスが使用され、水素が、高められたOH含量を有する石英から成る高温のバルブ壁から流出して、フレームの、タンタルまたなニオブまたはジルコニウムから成る部分の低温の個所で再び結合される、請求項27記載の白熱ランプ。
- 発光体が、金属炭化物から成っており、炭素を発光体へ戻し案内するために炭素−硫黄運搬系が使用され、硫黄が、一方ではフレームもしくはフィラメント引出し線の、有利には純粋な金属から成る部分の低温個所で常時、気相から金属硫化物の形成下に取り出され、他方では純粋な硫黄、硫黄を含有する有機物質、たとえばCH3CSCH3またはメルカプタンの蒸発によって永続的に補給される、請求項27記載の白熱ランプ。
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