WO2006060995A2 - Glühlampe mit einem leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige metallverbindung enthält - Google Patents

Glühlampe mit einem leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige metallverbindung enthält Download PDF

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WO2006060995A2
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luminous body
piston
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Matthias Damm
Georg Rosenbauer
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Patent-Treuhand- Gesellschaft Für Elektrische Glühlampen Mbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/50—Selection of substances for gas fillings; Specified pressure thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H01K1/04—Incandescent bodies characterised by the material thereof
    • H01K1/10—Bodies of metal or carbon combined with other substance

Definitions

  • the invention is based on an incandescent lamp with a luminous body, which contains a high-temperature-resistant metal compound, according to the preamble of claim 1.
  • incandescent lamps with a carbide-containing luminous element in particular the invention relates to halogen incandescent lamps which emit a luminous element TaC, or contains the luminous body TaC as a component or coating.
  • incandescent bodies of refractory ceramics such as tantalum carbide. See, for example, Becker, Ewest: "The physical and radiological properties of tantalum carbide", Zeitschrift für ischen Physik, No. 5, pp. 148-150 and No. 6, pp.
  • halogens were used in addition to the hydrogen to react with the carbon, see, for example, US-A 3,022,438.
  • the carbon evaporating from the luminous body reacts in the cold regions near the bulb wall with eg chlorine atoms to compounds such as CCI 4 , whereby a Deposition of carbon on the wall is avoided.
  • the carbon-halogen compounds are transported back by transport processes such as convection and diffusion in the direction of the mantle, where they decompose in the warmer area with release of carbon.
  • the carbon can be re-attached to the helix.
  • both the amount of the halogen element introduced into the lamp and the amount of the element hydrogen must each be greater than the total in the lamp Gas phase existing amount of carbon. Since the carbon-chlorine and carbon-bromine compounds may form at temperatures at or below about 15O 0 C, the application of carbon-halogen cycle process in lamps with a relatively large bulb volume and thus piston temperatures around or below 200 0 C limited. The carbon-halogen cycle based on chlorine or bromine certainly no longer works at temperatures of at least 200 0 C and correspondingly small dimensions of the piston. Another disadvantage with Use of halogens to avoid the deposition of carbon on the bulb wall is that the components of the frame or the coil are attacked in colder areas at the required relatively large halogen concentrations.
  • Ta tantalum
  • evaporation of tantalum (Ta) also occurs to a lesser extent, see, e.g. YES. Coffmann, G.M. Kibler, T.R. Riethof, A.A. Watts: WADD-TR-60-646 Part I (1960). Therefore, it has proven to be expedient to superimpose a further cycle for returning the tantalum to the luminous body to a cyclic process for returning the carbon to the filament, see DE-A 103 56 651.
  • the deposition of carbon on the bulb wall can be achieved by the use of hydrogen those of Tantalum are avoided by the use of halogens such as chlorine or bromine or iodine. But also the use of other elements is possible.
  • fluorine-containing compounds An exception with regard to the use of halogens is the use of fluorine-containing compounds.
  • fluorine is outstandingly suitable for the formation of a fluorine cycle process because carbon-fluorine compounds are stable up to temperatures well above 2000 K, see e.g. Philips techn. Rsch. 35, 228-341. Nr.11 / 12th Therefore, on the one hand a blackening of the bulb wall is efficiently prevented and on the other hand the carbon targeted, transported back to the hottest point of the filament (regenerative cycle).
  • Such a carbon-fluorine cycle can be used both for lamps with luminous bodies made of carbon and with luminous bodies made of metal carbides.
  • the disadvantage here is that the piston wall must be protected against attack by the fluorine, see US Pat. No. 3,022,438 (Cooper, use F in TaC lamps). Possibly. it is also necessary to protect the parts of the frame. Because of the associated expense of the fluorine cycle is still not applied on a large scale.
  • bidirectional luminous body according to provide the preamble of claim 1, which allows a long life and overcomes the problem of depletion of the filament on a evaporating component. Another task is to optimally use the effect of the fluorine.
  • 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 also 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 depletes in operation on at least one element.
  • a lamp If a lamp is operated at high temperatures, it comes - depending on the nature of the material of the filament - to evaporate material or components of the material.
  • 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 evaporation of the material or its components leads to a rapid destruction of the filament. Due to the material which separates on the bulb wall, the transmission of the light is greatly reduced.
  • a tantalum carbide flare operated at high temperatures decomposes to give the brittle, and to TaC at lower Temperatur melting sub-carbide Ta 2 C and of gaseous carbon, which is transported to the piston wall and is deposited there.
  • the task is to minimize by appropriate measures evaporation from the lamp or to undo.
  • fluorine also in lamps with metal carbide filaments and - in contrast to the above-mentioned fluorine-containing compounds applications - an unprotected flask of glass (eg quartz, toughened glass) may be useful if it next Hydrogen and optionally a further halogen is used.
  • the additional metering of a fluorine-containing compound of a filler gas containing a hydrocarbon and hydrogen in addition to the inert gas achieves a favorable effect with regard to avoiding bulb blackening and extending the service life.
  • the fluorine can be dosed, for example, in the form of CF 4 or fluorinated hydrocarbons such as CF 3 H, CF 2 H 2 , C 2 F 4 H 2 , etc.
  • the filament made of metal carbide operated at higher temperatures, so must be present in addition to the fluorine another halogen such as chlorine or bromine or iodine, in the sense of the unpublished DE-A 103 56 651.1 to prevent the deposition of tantalum on the piston wall and this to the light body to transport back. This is necessary in almost all practically relevant cases because the filament is indeed operated to improve the efficiency at relatively high temperatures well above 3000 K.
  • the fluorine is not available for this cycle because it has reacted to SiF 4 at the bulb wall.
  • the metals acting as catalysts should preferably be used at the lowest possible temperature in order to avoid a reaction with the halogen used for the tantalum cycle.
  • the molar concentration of carbon should be at least a factor of 3, preferably a factor of 5 to 40, in particular 5 to 20, be greater than the molar concentration of the fluorine.
  • the molar concentration of the hydrogen should be greater by at least a factor 4, preferably by a factor of 5 to 40 than that of the carbon.
  • the molar concentration of the further halogen required for the return of the tant to the luminous element should be less than half the hydrogen concentration and preferably less than one tenth of the hydrogen concentration.
  • the following concentrations result for a cold filling pressure of 1 bar.
  • the molar concentration of carbon should be between 0.1% and 5%.
  • the molar concentration of the further required for the tantalum cycle halogen should be between 500 ppm and 5000 ppm. All other concentrations are then calculated by calculation with the above ratios.
  • the conversion to other cold fill pressures results from the boundary condition that the number of total particles contained in the lamp volume should be constant. With a transition from 1 bar to 2 bar, the individual concentrations must be halved.
  • iodine when, as described in DE-A 103 56 651, it is used to bind hydrogen in order to prevent it from permeating through the bulb wall. Then, considerably larger molar concentrations of iodine are used, which correspond to a factor of 5, preferably to a factor of 2, of the amount of hydrogen used.
  • the dosage of the individual components can be carried out as follows:
  • halogenated hydrocarbons such as CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , CF 4 , CH 2 Cl 2 , CH 3 Cl, CH 2 Br 2 , CF 3 Br, CH 3 I, C 2 H 5 J, CF 3 Cl, CF 2 BrCl, etc., which can be dosed via the halogenated hydrocarbons at the same time the additionally required halogens.
  • fluorine takes place via the already mentioned at least partially fluorinated hydrocarbons, fluorine F 2 , NF 3 , PF 3 , etc.
  • bromine, chlorine, iodine (halogen for Ta cycle) via the already mentioned at least partially halogenated hydrocarbons such as CH 2 Br 2 , CH 3 Br, CH 3 Cl, CCI 4 , in addition to Br 2 , Cl 2 , J 2 , also the use of PCI 3 , PBr 3 , etc. is possible.
  • the piston consists of refractory glass, which means tempered glass, vy- cor or quartz glass.
  • refractory glass which means tempered glass, vy- cor or quartz glass.
  • borosilicate glass in particular aluminoborosilicate glass, or aluminosilicate glass, in particular alkaline earth metal aluminosilicate glass, is suitable as toughened glass.
  • 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 used for one-sided squeezed lamps, since the luminous body 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.
  • rod means a means formed as a solid rod or, in particular, a thin wire.
  • FIG. 1 shows an incandescent lamp with carbide filament according to an embodiment
  • FIG. 2 shows an incandescent lamp with a carbide luminous element according to a second exemplary embodiment
  • Figure 3 to 6 an incandescent lamp with carbide filament according to further embodiments.
  • FIG. 1 shows an incandescent lamp 1 with a bulb of quartz glass 2, a pinch seal 3, and internal power supply lines 10, which connect foils 4 in the pinch seal 3 to a luminous element 7.
  • the filament 7 is a simple coiled, axially arranged wire of TaC, whose ends 14 are unwoven 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.
  • the filament material which is preferably a coiled wire, zirconium carbide, hafnium carbide, or an alloy of various carbides, e.g. in US-A 3,405,328.
  • 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 with fluorine.
  • a halogen additive is useful regardless of possible carbon-halogen cycle processes or transport processes to prevent vaporized metals from the filament of metal carbide deposition on the piston wall and possible to transport back to the filament.
  • This is a metal-halogen cyclic process as described for example in the application DE-Az 103 56 651.1.
  • the following 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, JA Coffmann, GM Kibler, TR Riethof, AA Watts: WADD-TR-60-646 Part I (1960).
  • Figure 2 is constructed substantially similar to Figure 1.
  • an additional borrowed catalyst is used, which are welded, for example in the form of wires 20 and platelets 21 to the parts of the frame or the spiral outlet.
  • An alternative ( Figure 3) is to weld the wire 22 onto a third Mo foil 24 in the pinch seal 3.
  • a holder made of molybdenum for the additional film 24 is designated.
  • parts of the frame can be made directly from the material of the catalyst. The coating of the outlets or parts of the frame with the material of the catalyst is possible.
  • suitable catalysts are metals such as iron, nickel, cobalt or molybdenum, but also rhodium or rhenium.
  • FIG. 4 schematically shows an example in which the catalyst is formed by coating coils 25 on the inner power supply lines. These are made for example of nickel. The coating coils can also be guided into the pinch, see the right side (26).
  • Figure 5 shows an embodiment in which the catalyst is formed by the fact that the lower parts of the inner power supply lines are formed separately. They are formed by wires 27 of catalyst material, in particular molybdenum.
  • the upper parts 28 of the inner power supply are made of tungsten. The two parts are connected by welding points 30.
  • FIG. 6 shows catalysts which are realized as a coating 29 on the lower parts of the power supply lines 10. The coating extends into the pinch 3 inside.
  • the fluorine-containing compounds mentioned here are generally gaseous. They are introduced into the flask during filling and decompose in a short time.
  • the catalyst described here serves the purpose of allowing the splitting of CO.
  • the carbon is transported back to the hottest part of the luminous body by means of carbon-fluorine compounds, ie here the fluorine is directly important for the carbon transport, in contrast to the concept described in this document.
  • a catalyst used there acts as a sink for carbon over the entire lifetime.
  • the internal power supply lines together form the frame.
  • the spiral outlets can be used directly as components of the frame.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Discharge Lamp (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Die Glühlampe (1) ist ausgestattet mit einem Leuchtkörper (7), der zusammen mit einer Füllung in einem Kolben (2) vakuumdicht eingebracht ist, wobei der Leuchtkörper (7) ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt. Der Kolben enthält ferner sowohl Kohlenstoff als auch Wasserstoff und Fluor, bevorzugt als Verbindungen.

Description

Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige Metallverbindung enthält
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige Metallverbindung enthält, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 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 Bestandteil oder Beschichtung enthält.
Stand der Technik
Eine bekannte Option zur Steigerung der Effizienz von Glühlampen ist die Verwendung von Glühkörpern aus hochschmelzenden Keramiken wie Tantalkarbid. Siehe hierzu z.B. Becker, Ewest: „Die physikalischen und strahlungstechnischen Eigen- schatten des Tantalkarbids", Zeitschrift für technische Physik, Nr. 5, S. 148-150 und Nr. 6, S. 216 - 220 (1930)). Die Steigerung der Effizienz ergibt sich aus der Tatsache, dass der Glühkörper aus Metallcarbid wegen der, verglichen mit den reinen Metallen, viel höheren Schmelzpunkte bei höherer Temperatur betrieben werden kann: Schmelzpunkt für TaC ist 38800C gegenüber 341O0C für Wolfram. Zudem ist verglichen mit Wolfram der Emissionskoeffizient der Carbide im sichtbaren Bereich größer als im IR. Insbesondere Tantalkarbid ist ein besserer „Selektivstrahler" als Wolfram.
Ein Problem beim Betrieb von Tantalkarbid-Leuchtkörpern bei hohen Temperaturen stellt die Entkarburierung dar; diese führt zur Bildung von Subcarbiden mit höherem spezifischem Widerstand und niedrigerem Schmelzpunkt und damit zur raschen Zerstörung des Leuchtkörpers. Zur Lösung dieses Problems finden sich in der Literatur mehrere Ansätze.
Eine in US-A 3 405 328 erwähnte Möglichkeit besteht darin, den Kohlenstoff im Ü- berschuss in dem Tantalkarbidleuchtkörper zu lösen. Der nach außen vom Leucht- körper abdampfende Kohlenstoff, der sich an der Kolbenwand niederschlägt, wird dann durch Diffusion aus dem Inneren heraus ersetzt. Eine weitere Möglichkeit stellt der Zusatz von Kohlenstoff und Wasserstoff zum Füllgas dar, siehe z.B. US-A 2 596 469. Dabei entsteht in der Lampe ein Kohlen- stoff-Kreisprozess. Der bei hohen Temperaturen abdampfende Kohlenstoff reagiert bei niedrigeren Temperaturen mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen, welche durch Konvektion und/oder Diffusion zum Leuchtkörper zurücktransportiert werden, wo sie sich wieder zersetzen. Der dabei entstehende Kohlenstoff wird wieder an den Leuchtkörper angelagert. Für einen funktionierenden Kohlenstoff-Kreisprozess muss meist ein Wasserstoff-Überschuss eingesetzt werden, um die Abscheidung von Kohlenstoff (in Form von Ruß) im Lampengefäß zu vermeiden. Z.B. muss bei Verwendung von Methan oder Ethen der Partialdruck des Wasserstoffs um ca. einen Faktor 2 größer sein als derjenige des Kohlenwasserstoffs. Anderenfalls kommt es zur Abscheidung von Kohlenstoff im Lampengefäß. Da die notwendigen Konzentrationen VQΠ Kohlenstoff und Wasserstoff meist im Bereich bis zu einigen Prozent liegen müssen, wirkt sich der hohe Anteil an Wasserstoff negativ auf die Effi- zienz der Lampe aus.
Zur Verringerung des Effizienzverlusts wurden neben dem Wasserstoff auch Halogene zur Reaktion mit dem Kohlenstoff eingesetzt, siehe z.B. US-A 3 022 438. Der vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff reagiert in den kalten Bereichen nahe der Kolbenwand mit z.B. Chloratomen zu Verbindungen wie CCI4, wodurch eine Abscheidung des Kohlenstoffs an der Wand vermieden wird. Die Kohlenstoff- Halogen-Verbindungen werden durch Transport-Prozesse wie Konvektion und Diffusion in Richtung des Glühkörpers zurück transportiert, wobei sie sich im wärmeren Bereich unter Freisetzung des Kohlenstoffs zersetzen. Der Kohlenstoff kann wieder an die Wendel angelagert werden. Um den Kohlenstoff durch Halogen und Wasser- stoff an einer Abscheidung zu hindern, muss gemäß US-A 3 022 438 sowohl die Menge des insgesamt in die Lampe eingebrachten Halogen-Elements als auch die Menge des Elements Wasserstoff jeweils größer sein als die insgesamt in der Gasphase vorhandene Menge an Kohlenstoff. Da sich die Kohlenstoff-Chlor- und Kohlenstoff-Brom-Verbindungen nur bei Temperaturen um oder unter ca. 15O0C bilden können, ist die Anwendung des Kohlenstoff-Halogen-Kreisprozesses auf Lampen mit relativ großem Kolbenvolumen und damit Kolbentemperaturen um oder unter 2000C beschränkt. Der Kohlenstoff-Halogen-Kreisprozess auf Basis von Chlor oder Brom funktioniert sicherlich nicht mehr bei Temperaturen von mindestens 200 0C und entsprechend kleinen Abmessungen des Kolbens. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Halogenen zur Vermeidung der Abscheidung von Kohlenstoff auf der Kolbenwand besteht darin, dass bei den dafür erforderlichen relativ großen Halogenkonzentrationen die Bestandteile des Gestells oder der Wendel in kälteren Bereichen angegriffen werden.
Bei relativ hohen Betriebstemperaturen des TaC Leuchtkörpers kommt es neben der Abdampfung von Kohlenstiff (C) in geringerem Ausmaß auch zu einer Abdampfung von Tantal (Ta), siehe z.B. J.A. Coffmann, G. M. Kibler, T.R. Riethof, A.A. Watts: WADD-TR-60-646 Part I (1960). Daher hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, einem Kreisprozess zur Rückführung des Kohlenstoffs zum Leuchtkörper einen weiteren Kreisprozess zur Rückführung des Tantals zum Leuchtkörper zu überlagern, siehe DE-A 103 56 651. Beispielsweise kann die Ablagerung von Kohlenstoff auf der Kolbenwand durch den Einsatz von Wasserstoff, diejenige von Tan- tal durch den Einsatz von Halogenen wie Chlor oder Brom oder Jod vermieden werden. Aber auch der Einsatz anderer Elemente ist möglich.
Eine Ausnahme hinsichtlich der Verwendung von Halogenen stellt der Einsatz von fluor-haltigen Verbindungen dar. Prinzipiell ist Fluor hervorragend zur Ausbildung eines Fluor-Kreisprozesses geeignet, weil Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen bis zu Temperaturen von weit oberhalb 2000 K stabil sind, siehe z.B. Philips techn. Rdsch. 35, 228-341. Nr.11/12. Daher wird zum einen eine Schwärzung der Kolbenwand effizient verhindert und zum anderen der Kohlenstoff gezielt, zur heißesten Stelle des Leuchtkörpers zurücktransportiert (regenerativer Kreisprozess). Ein solcher Kohlenstoff-Fluor-Kreisprozess ist sowohl für Lampen mit Leuchtkörper aus Kohlenstoff als auch mit Leuchtkörper aus Metallkarbiden einsetzbar. Nachteilig dabei ist jedoch, dass dazu die Kolbenwand gegen einen Angriff des Fluors geschützt wer- den muss, siehe US 3 022 438 (Cooper, Verwendung F in TaC Lampen). Ggf. ist auch ein Schutz der Teile des Gestells erforderlich. Wegen des damit verbundenen Aufwands wird der Fluor-Kreisprozess bis heute nicht in großem Maßstab angewandt.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige Metallverbindung, und insbesondere einen car- bidhaltigem Leuchtkörper, enthält, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer ermöglicht und das Problem der Verarmung des Leuchtkörpers an einer abdampfenden Komponente überwindet. Eine weitere Aufgabe ist es, die Wirkung des Fluors optimal zu nutzen.
Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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 sowie 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 Betrieb an mindestens einem Element verarmt.
Wird ein Leuchtkörper bei hohen Temperaturen betrieben, so kommt es - je nach der Beschaffenheit des Materials des Leuchtkörpers - zu einem Abdampfen von Material bzw. von Bestandteilen des Materials. Das abgedampfte 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 raschen 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 zersetzt sich unter Entstehung des spröden, gegenüber TaC bei niedrigeren Temperaturen schmelzenden Subcarbids Ta2C und von gasförmigem Kohlenstoff, welcher zur Kolbenwand transportiert wird und sich dort abscheidet.
Die Aufgabenstellung besteht darin, durch geeignete Maßnahmen ein Abdampfen vom Leuchtkörper zu minimieren bzw. rückgängig zu machen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von Fluor auch in Lampen mit Leuchtkörper aus einem Metallcarbid und - im Gegensatz zu den oben erwähnten Fluor enthaltende Verbindungen betreffende Anmeldungen - einem ungeschützten Kolben aus Glas (z.B. Quarz, Hartglas) nutzbringend sein kann, wenn es neben Wasserstoff und ggf. einem weiteren Halogen eingesetzt wird. Durch die zusätzliche Dosierung einer fluorhaltigen Verbindung eines neben dem Inertgas einen Kohlenwasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Füllgases wird ein günstiger Effekt hin- sichtlich der Vermeidung von Kolbenschwärzung und Verlängerung der Lebensdauer erzielt. Das Fluor kann z.B. in Form von CF4 bzw. fluorierten Kohlenwasserstoffen wie CF3H, CF2H2, C2F4H2 usw. dosiert werden. Diese Verbindungen zersetzen sich bei höheren Temperaturen unter Freisetzung von Fluor. Bei der Reaktion von Fluor an der Kolbenwand entstehen Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltige Verbindungen wie CO zumindest in geringen Mengen, was offensichtlich nicht störend ist, wenn die Menge des entstehenden Sauerstoffs begrenzt ist. Die Menge des dabei entstandenen Sauerstoffs muss geringer sein als die Menge des Kohlenstoffs und des vor- handenen Wasserstoffs. Der dabei entstandene Sauerstoff wirkt sich zusammen mit den in der Gasphase vorhandenen fluorhaltigen Verbindungen günstig aus. Diese günstige Wirkung ist aber nicht auf einen Kohlenstoff-Fluor-Kreisprozess wie z.B. in Philips techn. Rdsch. 35, 228-341. Nr.11/12 beschrieben zurückzuführen, da das Fluor bei Temperaturen nahe der Kolbenwand in keinem Fall mehr für die BiI- düng von Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen wie CF4 zur Verfügung steht, sondern zum weitaus größten Teil als SiF4 gebunden vorliegt. Vielmehr ist diese günstige Wirkung auf eine kombinierte Wirkung des Sauerstoffs und des in der Wandreaktion entstandenen SiF4 zurückzuführen.
Wird der Leuchtkörper aus Metallkarbid bei höheren Temperaturen betrieben, so muss neben dem Fluor ein weiteres Halogen wie Chlor oder Brom oder Jod zugegen sein, um im Sinne der noch unveröffentlichten DE-A 103 56 651.1 die Abscheidung von Tantal an der Kolbenwand zu verhindern und dieses zum Leuchtkörper zurück zu transportieren. Dies ist in nahezu allen praktisch relevanten Fällen notwendig, weil der Leuchtkörper ja gerade zur Verbesserung der Effizienz bei relativ hohen Temperaturen deutlich oberhalb 3000 K betrieben wird. Das Fluor steht für diesen Kreisprozess nicht zur Verfügung, da es an der Kolbenwand zu SiF4 reagiert hat.
Die günstige Wirkung des Fluors lässt sich noch verstärken, wenn man in den kälteren Bereichen bei Temperaturen meist um 150°C bis 400 0C Metalle wie Eisen, Kobalt, Nickel oder auch Molybdän einsetzt. Wahrscheinlich wirken diese Metalle als Katalysatoren im Sinne von Fischer-Tropsch-Reaktionen, wobei das Kohlenmonoxid am Katalysator mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen und Wasser reagiert. Dadurch wird das sonst sehr stabile Kohlenmonoxid-Molekül wieder zerlegt und sowohl Kohlenstoff als auch Sauerstoff dem Reaktionsgeschehen wieder zugeführt. Der Kohlenwasserstoff zersetzt sich auf seinem Weg zum Leuchtkörper unter Freisetzung von Kohlenstoff, welcher wieder an den Leuchtkörper angelagert werden kann. Der freigesetzte Sauerstoff regiert bereits mit dem vom Leuchtkörper herantransportierten Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Da diese Reaktion - im Gegensatz zur Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Wasserstoff - bereits bei weitaus höheren Temperaturen abläuft, wird eine Schwärzung des Kolbens dadurch wirkungsvoll verhindert. Die als Katalysatoren wirkenden Metalle sollten bevorzugt bei möglichst niedriger Temperatur eingesetzt werden, um eine Reaktion mit dem für den Tantal- Kreisprozess verwendeten Halogen zu vermeiden.
Der Unterschied der hier beschriebenen Vorgehensweise gegenüber z.B. der in US 3 022 438 bzw. DE 1 188 201 beschriebenen besteht darin, dass die Glaswände bewusst nicht geschützt werden und zudem die Menge des Halogens Fluor sowie des weiteren Halogens (Chlor, Brom, Jod) deutlich kleiner als diejenige des Kohlenstoffs gewählt wird. Der Unterschied zur in der DE-A 103 24 361 beschriebenen Vorgehensweise besteht darin, dass keine sauerstoffhaltige Verbindung in die Lampe eingefüllt wird, sondern der Sauerstoff aus dem Material der Kolbenwand herausgelöst wird, und zum anderen nicht halogenfrei gearbeitet wird, sondern Fluor und noch mindestens ein weiteres Halogen zur Verbesserung der Lebensdauer und Verringerung der Kolbenschwärzung eingesetzt werden.
Hinsichtlich der Dosierung lassen sich folgende Verhältnisse definieren. Die molare Konzentration an Kohlenstoff sollte mindestens um einen Faktor 3, bevorzugt um einen Faktor 5 bis 40 , insbesondere 5 bis 20, größer sein als die molare Konzentration des Fluors. Die molare Konzentration des Wasserstoffs soll um mindestens einen Faktor 4, bevorzugt um einen Faktor 5 bis 40 größer sein als diejenige des Kohlenstoffs. Die molare Konzentration des weiteren für die Rückführung des Tan- tals zum Leuchtkörper benötigten Halogens soll kleiner sein als die halbe Wasserstoffkonzentration und bevorzugt kleiner als ein zehntel der Wasserstoffkonzentration .
Als Richtschnur ergeben sich für einen Kaltfülldruck von 1 bar folgende Konzentrationen. Die molare Konzentration des Kohlenstoffs soll zwischen 0,1% und 5% liegen. Die molare Konzentration des weiteren für den Tantal-Kreisprozess benötigten Halogens (Chlor, Brom, Jod) soll zwischen 500 ppm und 5000 ppm liegen. Alle anderen Konzentrationen ergeben sich dann durch Berechnung mit den oben angegebenen Verhältnissen. Die Umrechnung auf andere Kaltfülldrücke ergibt sich aus der Randbedingung, dass die Anzahl der insgesamt im Lampenvolumen enthaltenen Teilchen konstant sein soll. Bei Übergang von 1 bar auf 2 bar sind somit die einzelnen Konzentrationen zu halbieren.
Eine Ausnahme ergibt sich hinsichtlich der Verwendung von Jod, wenn dieses, wie in der DE-A 103 56 651 beschrieben, zur Bindung von Wasserstoff verwendet wird, um diesen an der Permeation durch die Kolbenwand zu hindern. Dann werden er- heblich größere molare Konzentrationen an Jod verwendet, die bis auf einen Faktor 5, bevorzugt bis auf einen Faktor 2, der eingesetzten Menge an Wasserstoff entsprechen.
Die Dosierung der einzelnen Bestandteile kann wie folgt vorgenommen werden:
Die Zugabe von Kohlenstoff erfolgt über ggf. halogenierte Kohlenwasserstoffe wie CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CF4, CH2CI2, CH3CI, CH2Br2, CF3Br, CH3I, C2H5J , CF3CI, CF2BrCI, usw., wobei über die halogenierten Kohlenwasserstoffe zugleich die zudem benötigten Halogene dosiert werden können.
Die Zugabe von Wasserstoff erfolgt entweder über ggf. teilweise halogenierte Kohlenwasserstoffe (s.o.) oder über Wasserstoffgas H2.
Die Zugabe von Fluor erfolgt Über die bereits erwähnten zumindest teilweise fluorierten Kohlenwasserstoffe, Fluor F2, NF3, PF3 , usw. Die Zugabe von Brom, Chlor, Jod (Halogen für Ta-Kreisprozess) erfolgt Über die bereits erwähnten zumindest teilweise halogenierten Kohlenwasserstoffe wie z.B. CH2Br2, CH3Br, CH3CI, CCI4, zusätzlich über Br2, Cl2, J2, auch der Einsatz von PCI3, PBr3 usw. ist möglich.
Eine ganz konkrete Mischung ist:
1 bar Kr + 1% CH4 + 3% H2 + 0,1% CF2Br2
Der Kolben besteht aus hochschmelzendem Glas, wobei damit Hartglas, Vy- cor oder Quarzglas gemeint ist. Als Hartglas eignet sich beispielsweise Boro- silikatglas, insbesondere Alumoborosilikatglas, oder Alumosilikatglas, insbe- sondere Erdalkalialumosilikatglas.
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 gequetschte 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Figur 2 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; Figur 3 bis 6 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben aus Quarzglas 2, einer Quetschung 3, und inneren Stromzuführungen 10, die Folien 4 in der Quetschung 3 mit einem Leuchtkörper 7 verbinden. Der Leuchtkörper 7 ist ein einfach gewendelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen Enden 14 ungewen- delt 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 Leuchtkörpermaterial, 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 mit Fluor.
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 hindern 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).
Figur 2 ist im wesentlichen ähnlich wie Figur 1 aufgebaut. Hier wird jedoch zusätz- lieh ein Katalysator verwendet, der beispielsweise in Form von Drähten 20 bzw. Plättchen 21 an die Teile des Gestells bzw. des Wendelabgangs angeschweißt werden. Eine Alternative (Figur 3) besteht darin, den Draht 22 auf eine dritte Mo- Folie 24 in der Quetschung 3 aufzuschweißen. Mit 23 ist ein Halter aus Molybdän für die zusätzliche Folie 24 bezeichnet . Alternativ können Teile des Gestells direkt aus dem Material des Katalysators gefertigt sein. Auch die Beschichtung der Abgänge bzw. von Teilen des Gestells mit dem Material des Katalysators ist möglich. Wie bereits erwähnt eignen sich als Katalysatoren Metalle wie Eisen, Nickel, Kobalt oder Molybdän, aber auch wie Rhodium oder Rhenium.
Figur 4 zeigt schematisch ein Beispiel, bei dem der Katalysator von Über- zugswendeln 25 an den inneren Stromzuführungen gebildet werden. Diese sind beispielsweise aus Nickel gefertigt. Die Überzugswendeln können auch bis in die Quetschung geführt werden, siehe rechte Seite (26).
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Katalysator dadurch gebildet wird, dass die unteren Teile der inneren Stromzuführungen separat ausgebildet sind. Sie werden durch Drähte 27 aus Katalysator-Material, insbesondere Molybdän, gebildet. Die oberen Teile 28 der inneren Stromzuführung sind aus Wolfram gebildet. Die beiden Teile sind durch Schweißpunkte 30 miteinander verbunden.
Schließlich zeigt Figur 6 Katalysatoren, die als Beschichtung 29 auf den un- teren Teilen der Stromzuführungen 10 realisiert sind. Die Beschichtung erstreckt sich bis in die Quetschung 3 hinein.
Die hier angesprochenen fluorhaltigen Verbindungen sind Im allgemeinen gasförmig. Sie werden in den Kolben bei der Füllung mit eingebracht und zersetzen sich in kurzer Zeit. Der hier beschriebene Katalysator dient dem Zweck, die Aufspaltung von CO zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu steht ein Konzept, das einen kontinuierlichen Nachschub an Kohlenstoff durch Verwendung eines fluorhaltigen Feststoffs verfolgt. Dabei wird kontinuierlich CF4 o.a. abgedampft. In diesem Falle wird der Kohlenstoff durch Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen direkt zur heißesten Stelle des Leuchtkörpers zurück transportiert, d.h. hier ist das Fluor direkt für den Kohlenstoff-Transport wichtig, im Gegensatz zu dem in dieser Schrift beschriebenen Konzept. Ein dort verwendeter Katalysator wirkt als Senke für Kohlenstoff über die gesamte Lebenszeit.
Die inneren Stromzuführungen bilden zusammen das Gestell. Insbesondere können die Wendelabgänge direkt als Bestandteile des Gestells verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Glühlampe mit einem Leuchtkörper, der eine hochtemperaturbeständige Metallverbindung enthält (7) und mit Stromzuführungen (10), die den Leuchtkörper (7) haltern, wobei der Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben (2) vakuumdicht eingebracht ist, wobei das Material des Leuchtkörpers ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt in der Nähe des Schmelzpunkts von
Wolfram, bevorzugt oberhalb dem von Wolfram, liegt, und mit einem Kolben, der aus hochschmelzendem Glas besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung gleichzeitig die drei Komponenten Kohlenstoff, Wasserstoff und Fluor enthält, wobei die Füllung unmittelbaren Kontakt zumindest mit einem Teil der Innenwand des Kolbens hat und wobei der Kohlenstoff als Verbindung eingebracht ist.
2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper von einem Kolben aus Quarzglas, Vycor oder Hartglas 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 zumindest eine der Komponenten Wasserstoff und Fluor als Verbindung in den Kolben eingebracht ist.
5. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Komponenten als Verbindungen in den Kolben eingebracht sind.
6. Glühlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Halogen aus der Gruppe Cl, Br, J als Verbindung in den Kolben eingebracht ist.
7. Glühlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper ein gewendelter Draht oder ein Band ist, das zumindest an seiner Oberfläche aus Tantalcarbid besteht.
8. Glühlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch qekenn- zeichnet, dass der Leuchtkörper aus ZrC, HfC oder einer Legierung dieser Carbide, wobei die Legierung bevorzugt TaC enthalt, besteht, wobei der Leuchtkörper insbesondere ein gewendelter Draht ist.
9. Glühlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus einem Kern und einer Beschichtung an dessen Ober- fläche besteht, wobei der Kern insbesondere ein Rheniumdraht oder eine Kohlenstofffaser bzw. ein Bündel von Kohlenstofffasern ist, wobei die Beschichtung aus Carbid besteht.
10. Glühlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die molare Konzentration an Kohlenstoff mindestens um einen Faktor 3, be- vorzugt um einen Faktor 5 bis 40, größer ist als die molare Konzentration des Fluors, und dass die molare Konzentration des Wasserstoffs um mindestens einen Faktor 4, bevorzugt um einen Faktor 5 bis 40, größer ist als diejenige des Kohlenstoffs.
11. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die molare Konzent- ration des weiteren für die Rückführung des Tantals zum Leuchtkörper benötigten
Halogens kleiner ist als die halbe Wasserstoffkonzentration und bevorzugt kleiner als ein Zehntel der Wasserstoffkonzentration.
12. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf einen Kaltfülldruck von 1 bar die molare Konzentration des Kohlenstoffs zwischen 0,1 % und 5 % liegt, wobei die molare Konzentration des weiteren für den Tantal-
Kreisprozess benötigten Halogens zwischen 500 ppm und 5000 ppm liegt.
13. Glühlampe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass der Leuchtkörper mit Stromzuführungen verbunden ist, wobei ein metallischer Katalysator an mindestens einer Stromzuführung so befestigt ist, dass das als Katalysator wirkende Metall im Betrieb der Lampe einer Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 6000C ausgesetzt ist.
14. Glühlampe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Drahtstück, ein Plättchen oder eine Wendel ist.
15. Glühlampe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als Beschichtung auf mindestens einer Stromzuführung aufgebracht ist.
16. Glühlampe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die molare Konzentration des Kohlenstoffs zwischen 0,1 % und 5 % liegt, bezogen auf einen Kaltfülldruck von 1 bar.
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