WO2007063008A2 - Halogen light bulb comprising a carbide-containing filament - Google Patents

Halogen light bulb comprising a carbide-containing filament Download PDF

Info

Publication number
WO2007063008A2
WO2007063008A2 PCT/EP2006/068738 EP2006068738W WO2007063008A2 WO 2007063008 A2 WO2007063008 A2 WO 2007063008A2 EP 2006068738 W EP2006068738 W EP 2006068738W WO 2007063008 A2 WO2007063008 A2 WO 2007063008A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
filament
incandescent lamp
metal
carbon
luminous body
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/068738
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2007063008A3 (en
Inventor
Axel Bunk
Matthias Damm
Georg Rosenbauer
Original Assignee
Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH filed Critical Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
Publication of WO2007063008A2 publication Critical patent/WO2007063008A2/en
Publication of WO2007063008A3 publication Critical patent/WO2007063008A3/en

Links

Classifications

    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K3/00—Apparatus or processes adapted to the manufacture, installing, removal, or maintenance of incandescent lamps or parts thereof
    • H01K3/02—Manufacture of incandescent bodies

Definitions

  • the invention relates to a halogen incandescent lamp with carbide-containing luminous body according to the preamble of claim 1. Such lamps are suited for general lighting ⁇ and used for photo-optical purposes.
  • Incandescent and incandescent halogen lamps have the advantage over discharge lamps that they contain no highly toxic substances such as mercury and can be switched quickly. In contrast to discharge lamps and LEDs, they can do without complex ballasts.
  • the main disadvantage of halogen incandescent lamps or incandescent lamps is their lower efficiency compared to LEDs and discharge lamps.
  • incandescent bodies of refractory ceramics such as tantalum carbide. See, for example, Becker, Ewest: “The Physical and Radiation Properties of Tantalum Carbide", Journal of Technical Physics, No. 5, pp. 148-150 and No. 6, pp. 216-220 (1930))
  • Increasing Efficiency arises from the fact that the filament of metal tallcarbid because of the comparison with the pure metals, much higher melting point at a higher temperature Betrie ⁇ can ben: melting point of TaC is 388O 0 C against ⁇ about 341O 0 C for tungsten.
  • the emission coefficient of the carbides in the visible Be ⁇ rich greater than in the infrared spectral range compared with tungsten the emission coefficient of the carbides in the visible Be ⁇ rich greater than in the infrared spectral range.
  • tantalum carbide is a better "selective radiator" than tungsten.
  • a problem with the operation of tantalum carbide lamps at high temperatures is the decarburization; This leads to the formation of subcarbides with a higher specific resistance and a lower melting point and thus to the rapid destruction of the luminous body.
  • a particular problem here is that the carbon vapor pressure over the tantalum carbide is relatively large. Operating temperature at the same loading ⁇ the evaporation rate in g cm "2 s" 1 of the carbon on tantalum carbide by more than a large ⁇ jackowskiowski greater than that of tungsten on a tungsten surface. For details regarding the vapor ⁇ fung speeds of various refractory carbides see L.
  • the rapid decarburization of a Tantalkar ⁇ bid - to prevent filament is to operate it in an externally so strong angereicher- th with carbon atmosphere that a depletion of the luminous body at carbon is avoided.
  • the luminous body is operated in an atmosphere in which the carbon vapor pressure corresponds approximately to the equilibrium vapor pressure of the carbon over the tantalum carbide. This is achieved by permanently transporting carbon from a source to a sink.
  • the object of the present invention is to increase the lifetime of a generic lamp and to reduce the bulb blackening.
  • the invention is based on the idea of making changes to the base material in such a way that the melting point is increased and the vapor pressure is lowered. In any case, these measures have the effect of increasing the service life or reducing the density of the piston. It has been shown that the melting point of the carbides TaC, HfC and ZrC increases when this material easy to coals ⁇ be impoverished and thus stoichiometric carbides. For example, while the melting point of the nearly stoichiometric tantalum carbide TaC 0 , 98 is in the range between 383O 0 C and 388O 0 C, the melting point of TaC 0 , 8 at about 4000 0 C is determined.
  • Analog can be found for the melting point of the near stoichiometric HFCO, 97 a range of 3700 0 C - 376O 0 C, while the melting point of HfC 0, 9 is determined to 382O 0 C.
  • An increase in the melting point ⁇ is also connected to a lowering of the carbon material ⁇ vapor pressure.
  • Metallic carbide filaments are usually produced by carburization of the respective metals, cf.
  • G. Hörz "carburizing and decarburization of niobium and tantalum", metal 27, Issue 7 (July 1973), pages 680-687.
  • Herge ⁇ can be made lamps with luminous bodies of stoichiometric metal carbides eg by incomplete carburization
  • care must be taken to ensure that the carbon content in the respective lamps is balanced by homogenization at a lower temperature before use at full operating temperature, otherwise the wire on the outside may possibly be present when using wires even with coal fabric supersaturated metal carbide, while in the middle of the wire still a "soul" from the lower melting subcarbide Ta 2 C or even more areas of the phases of Ta 2 C or Ta are, see, for example, Okoli, R. Haubner, B. Lux, "Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition", Surface and Coatings Technology, Al_ (1991), 585-599.
  • the homogenization is preferably carried out at temperatures at which on the one hand the carbon evaporation no On the other hand, however, the rate of diffusion of carbon in TaC or Ta 2 C or Ta is already sufficiently high.
  • the surface of the filament by chemical Abtragspro ⁇ processes to "smooth out". Therefore, it is advantageous for the generation ⁇ supply of light fittings of metal carbides with a un- terstöchiometrischen content of carbon the Leuchtkör- During decarburization, concentration differences are built up, ie the luminous element (eg the filament) depletes of carbon on the outside Before homogenizing the luminous body, it should therefore be homogenised, ie by diffusion of the carbon from the inside to the outside to concentration differences compensated ⁇ the.
  • This homogenization should preferably temperatures at tempera ⁇ be made from 2300 K and 3000 K, that is at temperatures at which the evaporation of tantalum and carbon yet sufficiently slow, on the other hand the diffusion of carbon is already sufficiently fast (goal: the shortest possible process time).
  • the temperature should preferably be in such a temperature range as that
  • An example of such a chemical reaction system is the system tantalum-carbide-oxygen.
  • the oxygen acts strongly decarburating on the metal carbide, for example: 2 TaC + 1 / 2O 2 -> Ta 2 C + CO
  • the concentration of the decarburization agent should preferably be chosen so small that the rate of decarburization alone by the number of atoms per unit time occurring on the surface atoms or molecules of this substance, for example, oxygen atoms, possibly from the Zer ⁇ case of a precursor have arisen - is determined.
  • a layer of tantalum is formed on the outside of the luminous element, which in turn envelops layers of tantalum subcarbides, which in turn comprise the tantalum carbide ,
  • a luminous wire then consists of a tantalum carbide core, which is covered by a tantalum subcarbide shell (or possibly two phases of tantalum subcarbide). The tantalum subcarbide is surrounded by a shell of tantalum.
  • the boundary conditions should preferably during the decarburization be adjusted so that the determined for all Stel ⁇ len almost the same partial pressure of the oxygen atoms at the surface of the luminous body, the rate of decarburization. That is, the degree of decarburization should be determined by the product Zpt, which is only comparatively slightly dependent on the temperature (Z: burst number, p: partial pressure of the oxygen or of the substance causing the decarburization, t: time).
  • the rate of decarburization doubles when the partial pressure of the oxygen or the oxygen-containing substance is doubled. It must be ensured that the sauerstoffhalti ⁇ ge precursor, is when it encounters the luminous body, already disintegrated over wide temperature ranges, because their case again the precursor leads to ⁇ the kinetics of decay to the hotter unavoidable preferred decarburization points.
  • the procedure for incomplete carburizing is preferably designed so that
  • the reaction time of the gas mixture used for the carburization is shortened compared with the complete carburization so that the degree of carburization in the tantalum carbide is within the stated target range.
  • the carbon content in the gas used for carburization (advantageously CH 4 / H 2 mixture, but possible also other hydrocarbon - hydrogen - inert gas mixtures) is reduced.
  • the temperature of the wire to be carburized is lowered, (advantageously from typically 2900 K - 3100 K to about 2600 K - 2800 K).
  • the lowering of the luminous body temperature can take place on the one hand via a lower power input but also with the same power supply via an increased heat dissipation via the carbonization gas.
  • the increased hydrogen content in the metal carbide (eg tantalum carbide) resulting from incomplete carburization can lead to an increased release of hydrogen during lamp operation.
  • This hydrogen emission in the operation of lamps leads to a reduction of the blackening and to an increase of the service life in lamp operation.
  • the carbon which evaporates from the luminous body reacts by means of the hydrogen dissolved out at higher temperatures near the piston wall to give hydrocarbons (in particular methane ), which is then split again at relatively high temperatures and thus forms the carbon-hydrogen cyclic process already mentioned.
  • Incomplete carburization also has a positive effect on increasing the pressure of the hydrogen-rich carburizing medium (from approx. Typically 1 mbar to approx. 1000 mbar).
  • Due to the higher thermal conductivity - due to the higher pressure - in the hydrogen-rich carburising gas (for example, CH 4 / H 2 mixture) is a higher glass ⁇ temperature in the carburized lamp in front, which is preferably of favoring the hydrogen diffusion into the existing lamp bulb ( made of quartz glass) leads.
  • the hydrogen from the filling gas necessary for the CH cyclic process becomes too fast in the quartz glass later during lamp operation. is sorbed.
  • the glass and the metalli ⁇ rule components may also be welded catalysts such as described in DE 10 2004 059 174 1) due the higher hydrogen partial pressure also dissolve more hydrogen or bind as Me ⁇ tallhydrid.
  • These highly hydrogen-loaded metals then absorb less hydrogen during lamp operation or possibly even release hydrogen and thus contribute to stabilizing or slightly increasing the hydrogen content during lamp operation and thus delaying or preventing the onset of bulb blackening.
  • the hydrogen partial pressure during carburization is closer to the later hydrogen partial pressure in the closed lamp during lamp operation.
  • sulfur can also be used for decarburization, for example in the form of hydrogen sulphide H 2 S, carbon disulfide CS 2 or else mercaptans.
  • H 2 S hydrogen sulphide
  • CS 2 carbon disulfide
  • mercaptans mercaptans
  • H 2 S -> S + H 2 2 TaC + S -> Ta 2 C + CS A decomposition of CS only occurs at temperatures significantly above 3000 K. Again, there is no Reakti ⁇ on tantalum sulfides, at least at the considered high temperatures in the luminous body above 2200K. Tantalum sulfides are formed on the colder spiral outlets.
  • Analog can in principle also use hydrogen to Ent ⁇ carbonisation. Hydrogen significantly react with carbon to form gaseous hydrocarbons at temperatures below 1000 K, ie at temperatures at which the reaction stops at the surface because the carbon speed can not be supplied from the inside because of the much too low Diffusionsge ⁇ .
  • a brief transient heating of the filament at temperatures ranging from 2400 K to 3000 K the carbon is again Diffu ⁇ sion from the interior to the surface allows. After that, decarburization then takes place again at a lower temperature. That is, by alternately operating the filament at low temperatures well below 1000 K and higher temperatures in the range between 2400 K and 3000 K alternately decarburization on the surface of the filament and a subsequent delivery of carbon from the inside are performed.
  • the degree of decarburization can be determined in a simple and destructive manner , for example by measuring the specific electrical resistance of partially decarburized coils in comparison to fully carburized coils, cf. eg JRCooper and RL Hansler, "Variation of Electrical Resistivity of cu bic tantalum carbide with composition", Journal of Chemical Physics 3_9, 248-249 (1963) or G. Santoro, "Varia ⁇ tion of Some Properties of Tantalum Carbide with Carbon Content ", TRANSACTIONS OF THE METALLURGICAL SOCIETY OF AIME, vol. 227, 1361-1368 (1963).
  • the use of more complex methods - eg spectroscopic methods - possibly after chemical reactions - is also possible, cf. eg the most recently cited reference or the abovementioned article by Hörz.
  • FIG 1 shows an incandescent lamp with carbide filament according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows an incandescent lamp 1 with a bulb of quartz glass 2, a pinch 3, and internal power supply lines 6, the foils 4 in the pinch seal 3 connect with a luminous element 7.
  • the luminous element is a simply wound, axially arranged wire made of TaC, whose uncoiled ends 14 are continued transversely to the lamp axis.
  • the outer leads 5 are attached to the outside of the foils 4.
  • the inner diameter of the piston is 5 mm.
  • the coil ends 14 are then bent parallel to the lamp axis and form the inner power supply lines 6 as an integral extension.
  • the current supply lines 6 are provided with a coating coil or with a coating 8, for example of carbon, rhenium, osmium or tantalum boride, over at least part of their entire length, in order to increase the mechanical stability at the pinch edge.
  • tantalum carbide filament lamp which consists of tantalum carbide filament lamp schematically shown in Figure 1, the basic design largely corresponds to a low-voltage halogen incandescent lamp available on the market, by Carburie- tion of a tantalum wire (diameter 125 micrometers) threaded ⁇ oped helical (6 turns) emerged.
  • the TaC filament was heated in the stud lamp by applying an external voltage to about 3000 K.
  • an inert gas such as krypton in the pressure range between 10 mbar and 30 mbar and an addition of N 2 O in the concentration range between 50 ppm and 200 ppm is selected.
  • the lamp has a power consumption of approx. 13 V when operated at approx. W, wherein the color temperature is characteristic ⁇ around 3500 K.

Abstract

Disclosed is a halogen light bulb comprising a carbide-containing filament and lead-in wires which retain the filament. A filament is vacuum-tightly introduced into a bulb along with a filling. The filament is provided with a metal carbide whose melting point is greater than that of tungsten, the carbon concentration of the metal carbide being smaller than that corresponding to complete carburization, i.e. carburization resulting in the production of metal carbides in which the number of metal atoms and the number of carbon atoms are at an integer stoichiometric ratio relative to each other.

Description

Halogenglühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper Halogen bulb with carbide-containing filament
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen werden für die Allgemeinbe¬ leuchtung und für fotooptische Zwecke verwendet.The invention relates to a halogen incandescent lamp with carbide-containing luminous body according to the preamble of claim 1. Such lamps are suited for general lighting ¬ and used for photo-optical purposes.
Stand der TechnikState of the art
Glühlampen und Halogenglühlampen besitzen gegenüber Entladungslampen den Vorteil, dass sie keine hochgiftigen Stoffe wie Quecksilber enthalten und schnell geschaltet werden können. Im Gegensatz zu Entladungslampen und auch LEDs kommen sie ohne komplexe Vorschaltgeräte aus. Der Hauptnachteil der Halogenglühlampen bzw. Glühlampen besteht in der verglichen mit LEDs und Entladungslampen geringeren Effizienz.Incandescent and incandescent halogen lamps have the advantage over discharge lamps that they contain no highly toxic substances such as mercury and can be switched quickly. In contrast to discharge lamps and LEDs, they can do without complex ballasts. The main disadvantage of halogen incandescent lamps or incandescent lamps is their lower efficiency compared to LEDs and discharge lamps.
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 Eigenschaften 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 Me- tallcarbid wegen des, verglichen mit den reinen Metallen, viel höheren Schmelzpunkts bei höherer Temperatur betrie¬ ben werden kann: Schmelzpunkt für TaC ist 388O0C gegen¬ über 341O0C für Wolfram. Zudem ist verglichen mit Wolfram der Emissionskoeffizient der Carbide im sichtbaren Be¬ reich größer als im infraroten Spektralbereich. Insbesondere Tantalkarbid ist ein besserer „Selektivstrahler" als Wolfram.A known option for increasing the efficiency of incandescent lamps is the use of incandescent bodies of refractory ceramics such as tantalum carbide. See, for example, Becker, Ewest: "The Physical and Radiation Properties of Tantalum Carbide", Journal of Technical Physics, No. 5, pp. 148-150 and No. 6, pp. 216-220 (1930)) Increasing Efficiency arises from the fact that the filament of metal tallcarbid because of the comparison with the pure metals, much higher melting point at a higher temperature Betrie ¬ can ben: melting point of TaC is 388O 0 C against ¬ about 341O 0 C for tungsten. In addition, compared with tungsten the emission coefficient of the carbides in the visible Be ¬ rich greater than in the infrared spectral range. In particular, tantalum carbide is a better "selective radiator" than tungsten.
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 da¬ mit zur raschen Zerstörung des Leuchtkörpers. Besonders problematisch dabei ist, dass der Kohlenstoff-Dampfdruck über dem Tantalcarbid relativ groß ist. Bei derselben Be¬ triebstemperatur ist die Verdampfungsrate in g cm"2 s"1 des Kohlenstoffs über Tantalkarbid um mehr als eine Grö¬ ßenordnung größer als diejenige des Wolframs über einer Wolframoberflache . Zu Details hinsichtlich den Verdamp¬ fungsgeschwindigkeiten verschiedener hochschmelzender Karbide siehe L. Eberle „Verdampfungsverhalten hochschmelzender Karbide für thermionische Stromerzeuger", Die Atomwirtschaft Mai 1964, Seite 220 - 226. Bei einer Temperatur von 3000 K ist der Kohlenstoff- Gleichgewichtsdampfdruck über Tantalcarbid um mehr als eine Größenordnungen größer als derjenige des Wolframs über einer Wolframoberflache . Hinzu kommt, dass zur vol¬ len Nutzung der vorteilhaften Eigenschaften des TaC die- ses bevorzugt bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden muss als das Wolfram, wobei dann - zumindest bei Abwesenheit regenerativer Kreisprozesse - auch die Ver¬ dampfung des Tantals nicht mehr zu vernachlässigen ist bzw. sogar stärker wird als diejenige des Kohlenstoffs, vgl. das zuletzt angegebene Literaturzitat. Die starke Kohlenstoffverdampfung führt - wenn keine geeigneten Ge- genmaßnahmen getroffen werden - außerdem zu einer raschen Kolbenschwärzung, welche den Lichtaustritt durch den Glaskolben verhindert.A problem with the operation of tantalum carbide lamps at high temperatures is the decarburization; This leads to the formation of subcarbides with a higher specific resistance and a lower melting point and thus to the rapid destruction of the luminous body. A particular problem here is that the carbon vapor pressure over the tantalum carbide is relatively large. Operating temperature at the same loading ¬ the evaporation rate in g cm "2 s" 1 of the carbon on tantalum carbide by more than a large ¬ ßenordnung greater than that of tungsten on a tungsten surface. For details regarding the vapor ¬ fung speeds of various refractory carbides see L. Eberle "vaporization behavior of refractory carbides for thermionic power generators," The nuclear industry in May 1964, page 220 - 226 is at a temperature of 3000 K, the carbon equilibrium vapor pressure over tantalum by more than one orders of magnitude than that comes greater of tungsten on a tungsten surface addition that the vol ¬ len use DIE the advantageous properties of TaC ses preferably at significantly higher temperatures to be operated must than the tungsten, then -. regenerative at least in the absence of cycles - the Ver ¬ not evaporation of tantalum longer be neglected or is even stronger than that of carbon, see the literature reference last specified the strong carbon vaporization leads -.. if no suitable enclosure In addition to a rapid bulb blackening, which prevents the light leakage through the glass bulb.
Zur Lösung bzw. Zurückdrängung dieses Problems finden sich in der Literatur mehrere Ansätze.In order to solve or suppress this problem, there are several approaches in the literature.
Eine in US 3 405 328 erwähnte Möglichkeit besteht darin, den Kohlenstoff im Überschuss in dem Tantalkarbidleucht- körper zu lösen. Der nach außen vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff, der sich an der Kolbenwand nieder- schlägt, wird dann durch Diffusion aus dem Innerem heraus ersetzt. Der Kolbenradius ist so groß, so dass der sich abscheidende Kohlenstoff über eine so große Fläche ver¬ teilt wird, dass dies meist akzeptiert werden kann. An¬ sonsten können zur Zurückdrängung der Kolbenschwärzung auch Kreisprozesse eingesetzt werden.One possibility mentioned in US Pat. No. 3,405,328 is to dissolve the excess carbon in the tantalum carbide phosphor. The carbon which evaporates outwards from the filament and which condenses on the bulb wall is then replaced by diffusion from within. Is the piston radius is so large, so that the separating out carbon over such a large area ver ¬ tells that this can usually be accepted. An ¬ otherwise can be used to suppress the piston blackening and circular processes.
Eine weitere Möglichkeit stellt der Zusatz von Kohlen¬ stoff und Wasserstoff zum Füllgas dar, siehe z.B. US 2 596 469. Dabei entsteht in der Lampe ein Kohlenstoff- Kreisprozess . Der bei hohen Temperaturen abdampfende Koh- lenstoff reagiert bei niedrigeren Temperaturen mit Was¬ serstoff zu Kohlenwasserstoffen, welche durch Konvektion und/oder Diffusion zur Wendel zurücktransportiert werden, wo sie sich wieder zersetzen. Der dabei entstehende Kohlenstoff wird wieder an die Wendel angelagert. Für einen funktionierenden Kohlenstoff-Kreisprozess muss meist ein Wasserstoff-Überschuss eingesetzt werden, um die Abschei¬ dung 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. Ande- -A-Another possibility is the addition of carbon ¬ material and hydrogen to the filling gas, see, for example, US 2 596 469. This creates a carbon cycle in the lamp. The evaporating at high temperatures car- bon reacted at lower temperatures with what ¬ serstoff to hydrocarbons, which are transported back by convection and / or diffusion to the filament where they decompose again. The resulting carbon is deposited again on the helix. For a functioning carbon cyclic process usually an excess of hydrogen must be used to avoid the separation ¬ tion of carbon (in the form of soot) in the lamp vessel. For example, when using methane or ethene, the partial pressure of the hydrogen must be greater by a factor of about 2 than that of the hydrocarbon. On the other -A-
renfalls kommt es zur Abscheidung von Kohlenstoff im Lam¬ pengefäß. Da die notwendigen Konzentrationen von Kohlenstoff und Wasserstoff meist im Bereich bis zu einigen Prozent liegen müssen, wirkt sich der hohe Anteil an Was- serstoff negativ auf die Effizienz der Lampe aus.If necessary, carbon is deposited in the Lam ¬ pengefäß. Since the necessary concentrations of carbon and hydrogen usually have to be in the range of up to a few percent, the high proportion of hydrogen has a negative effect on the efficiency of the lamp.
Zur Verringerung des Effizienzverlusts wurden neben dem Wasserstoff auch Halogene zur Reaktion mit dem Kohlenstoff eingesetzt, siehe z.B. US 3 022 438. Der vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff reagiert in den kal- ten Bereichen nahe der Kolbenwand mit z.B. Chloratomen zu Verbindungen wie CCl4, wodurch eine Abscheidung des Kohlenstoffs an der Wand vermieden wird. Die Kohlenstoff- Halogen-Verbindungen werden durch Transportprozesse wie Konvektion und Diffusion in Richtung des Glühkörpers zu- rück 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 Wasserstoff an einer Ab¬ scheidung zu hindern, muss gemäß US 3 022 438 sowohl die Menge des insgesamt in die Lampe eingebrachten Halogen- Elements als auch die Menge des Elements Wasserstoff je¬ weils größer sein als die insgesamt in der Gasphase vor¬ handene Menge an Kohlenstoff. Da sich die Kohlenstoff- Chlor- und Kohlenstoff-Brom-Verbindungen nur bei Tempera- turen 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 funk- tioniert sicherlich nicht mehr bei Temperaturen oberhalb 300 0C und entsprechend kleinen Abmessungen des Kolbens. In der DE-A 10358262 wird beschrieben, wie durch Überlagerung zweier Kreisprozesse sowohl Kohlenstoff als auch Tantal zum Leuchtkörper zurück transportiert werden und somit eine Abscheidung dieser beiden Elemente auf der Kolbenwand verhindert wird.To reduce the loss in efficiency in addition to hydrogen and halogens were used for reaction with the carbon, see for example US 3 022 438. The evaporating from the illuminant carbon reacts in the Kal-th regions near the bulb wall with, for example chlorine atoms and compounds such as CCl 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, whereby they decompose in the warmer area to release the carbon. The carbon can be re-attached to the helix. To prevent the carbon ¬ decision by halogen and hydrogen at an Ab, US 3,022,438 both the amount of total incorporated in the lamp halogen element as well as the amount of the element hydrogen per ¬ be weils greater must accordance than the total in the gas phase before ¬ handene amount of carbon. Since the carbon-chlorine and carbon-bromine compounds only at temperatures around or can form 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 process based on chlorine or bromine functional tioniert certainly not at temperatures above 300 0 C and correspondingly small dimensions of the bulb. DE-A 10358262 describes how both carbon and tantalum are transported back to the luminous element by superposing two circular processes, thus preventing deposition of these two elements on the bulb wall.
Eine in der Anmeldung DE-A 10 2004 052 044.5 beschriebene Möglichkeit, die schnelle Decarburierung eines Tantalkar¬ bid - Leuchtkörpers zu verhindern, besteht darin, diesen in einer von außen so stark mit Kohlenstoff angereicher- ten Atmosphäre zu betreiben, dass eine Verarmung des Leuchtkörpers an Kohlenstoff vermieden wird. Bevorzugt wird der Leuchtkörper in einer Atmosphäre betrieben, in der der Kohlenstoff-Dampfdruck etwa dem Gleichgewichtsdampfdruck des Kohlenstoffs über dem Tantalcarbid ent- spricht. Dies wird erreicht, indem permanent Kohlenstoff von einer Quelle in eine Senke transportiert wird.One option described in the application DE-A 10 2004 052 044.5, the rapid decarburization of a Tantalkar ¬ bid - to prevent filament, is to operate it in an externally so strong angereicher- th with carbon atmosphere that a depletion of the luminous body at carbon is avoided. Preferably, the luminous body is operated in an atmosphere in which the carbon vapor pressure corresponds approximately to the equilibrium vapor pressure of the carbon over the tantalum carbide. This is achieved by permanently transporting carbon from a source to a sink.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer gattungsgemäßen Lampe die Lebensdauer zu erhöhen und die Kolbenschwärzung zu reduzieren.The object of the present invention is to increase the lifetime of a generic lamp and to reduce the bulb blackening.
Diese Aufgabe wird gelöst durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by characterizing features of claim 1. Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Änderungen am Grundmaterial so durchzuführen, dass der Schmelzpunkt er- höht und der Dampfdruck erniedrigt werden. Diese Maßnahmen wirken sich in jedem Fall in Richtung einer Erhöhung der Lebensdauer bzw. einer Reduktion der Kolbenschwärzung aus . Es hat sich gezeigt, dass der Schmelzpunkt der Carbide TaC, HfC und ZrC ansteigt, wenn diese leicht an Kohlen¬ stoff verarmen und somit unterstöchiometrische Carbide vorliegen. Während z.B. der Schmelzpunkt des nahezu stö- chiometrischen Tantalcarbids TaC0, 98 im Bereich zwischen 383O0C und 388O0C liegt, wird der Schmelzpunkt von TaC0, 8 bei etwa 40000C bestimmt. Analog findet man für den Schmelzpunkt des nahezu stöchiometrischen HfCo, 97 einen Bereich von 37000C - 376O0C, während der Schmelzpunkt von HfC0, 9 zu 382O0C bestimmt wird. Eine Erhöhung des Schmelz¬ punktes ist ebenfalls mit einer Erniedrigung des Kohlen¬ stoff-Dampfdrucks verbunden. Es hat sich daher als vor¬ teilhaft herausgestellt, für das Material des Leuchtkör¬ pers der Metallcarbide MeC (Me=Ta, Zr, Hf) einen un- terstöchiometrischen Kohlenstoffgehalt zu verwenden, bevorzugt im Bereich zwischen x= 0,5 und x=0,95. Besonders bevorzugt wird für TaCx 0,75 < x < 0,85, für HfCx 0,85 < x < 0,95 gewählt .The invention is based on the idea of making changes to the base material in such a way that the melting point is increased and the vapor pressure is lowered. In any case, these measures have the effect of increasing the service life or reducing the density of the piston. It has been shown that the melting point of the carbides TaC, HfC and ZrC increases when this material easy to coals ¬ be impoverished and thus stoichiometric carbides. For example, while the melting point of the nearly stoichiometric tantalum carbide TaC 0 , 98 is in the range between 383O 0 C and 388O 0 C, the melting point of TaC 0 , 8 at about 4000 0 C is determined. Analog can be found for the melting point of the near stoichiometric HFCO, 97 a range of 3700 0 C - 376O 0 C, while the melting point of HfC 0, 9 is determined to 382O 0 C. An increase in the melting point ¬ is also connected to a lowering of the carbon material ¬ vapor pressure. It has therefore been found to be part way before ¬ to use an un- terstöchiometrischen carbon content of the material of Leuchtkör ¬ pers of metal carbides MeC (Me = Ta, Zr, Hf), preferably in the range between x = 0.5 and x = 0 , 95th Particularly preferably, for TaC x 0.75 <x <0.85, for HfC x 0.85 <x <0.95 is selected.
Leuchtkörper aus Metallcarbiden werden meist durch Carbu- rierung der jeweiligen Metalle hergestellt, vgl. z.B. G. Hörz, „Aufkohlung und Entkohlung von Niob und Tantal", Metall 27, Heft 7 (Juli 1973), Seiten 680 - 687. Herge¬ stellt werden können Lampen mit Leuchtkörpern aus un- terstöchiometrischen Metallkarbiden z.B. durch eine un- vollständige Carburierung der jeweiligen Metalle. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Kohlenstoffgehalt in den jeweiligen Leuchtkörpern vor deren Gebrauch bei voller Betriebstemperatur durch Homogenisierung bei einer niedrigeren Temperatur ausgeglichen wird, ansonsten be- steht bei z.B. Verwendung von Drähten der Leuchtdraht an der Außenseite aus dem möglicherweise sogar mit Kohlen- stoff übersättigtem Metallcarbid, während sich in der Mitte des Drahtes noch eine „Seele" aus dem niedriger schmelzenden Subcarbid Ta2C oder sogar noch mehrere Bereiche aus den Phasen des Ta2C bzw. Ta befinden, vgl. z.B. Okoli, R. Haubner, B. Lux, „Carburization of tung- sten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition", Surface and Coatings Technology, Al_ (1991), 585 - 599. Die Homogenisierung erfolgt bevorzugt bei Temperaturen, bei denen einerseits die Kohlenstoff- Abdampfung noch keine Rolle spielt, andererseits jedoch die Geschwindigkeit der Diffusion von Kohlenstoff in TaC bzw. Ta2C bzw. Ta schon hinreichend hoch ist. Bevorzugt eignet sich für die Homogenisierung ein Temperatur- Bereich zwischen 2400 K und 3000 K, bevorzugt bis 2800 K.Metallic carbide filaments are usually produced by carburization of the respective metals, cf. For example, G. Hörz, "carburizing and decarburization of niobium and tantalum", metal 27, Issue 7 (July 1973), pages 680-687. Herge ¬ can be made lamps with luminous bodies of stoichiometric metal carbides eg by incomplete carburization However, care must be taken to ensure that the carbon content in the respective lamps is balanced by homogenization at a lower temperature before use at full operating temperature, otherwise the wire on the outside may possibly be present when using wires even with coal fabric supersaturated metal carbide, while in the middle of the wire still a "soul" from the lower melting subcarbide Ta 2 C or even more areas of the phases of Ta 2 C or Ta are, see, for example, Okoli, R. Haubner, B. Lux, "Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition", Surface and Coatings Technology, Al_ (1991), 585-599. The homogenization is preferably carried out at temperatures at which on the one hand the carbon evaporation no On the other hand, however, the rate of diffusion of carbon in TaC or Ta 2 C or Ta is already sufficiently high. Preferably, a temperature range between 2400 K and 3000 K, preferably up to 2800 K, is suitable for the homogenization.
In diesem Zusammenhang soll kurz auf den Ausfallmechanismus von Lampen mit Leuchtkörpern aus einem Metallcarbid eingegangen werden. Der Ausfallmechanismus folgt meist zumindest prinzipiell dem „Hot-Spot-Modell" wie für Lam¬ pen mit Wolfram-Wendel beschrieben z.B. in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Philips techn. Rdsch. ^2_, 165-175 (1971/72) . Bedingt durch eine kleine „Störung" entlang des Leuchtkörperdrahtes, z.B. durch einen erhöhten Leistungseintrag an einer Korngrenze, einer geringen lokalen Änderung der Materialda- ten, einer lokal begrenzten Verringerung des Drahtdurchmessers, einer lokalen Verunreinigung im Leuchtdraht, einem zu geringen Abstand zweier Windungen bei Gebrauch von Wendeln usw. kommt es zu einer geringfügigen lokal begrenzten Erhitzung einer Stelle gegenüber der Umgebung (lokale Begrenzung auf max . 2 Windungen) . Die lokale Er¬ höhung der Temperatur bewirkt, dass von dieser Stelle verstärkt Material abdampft und diese Stelle somit bevor¬ zugt gegenüber der Umgebung verjüngt wird, wodurch der Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Da die Erhöhung des Widerstands auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, än- dert sich dadurch der Gesamtwiderstand des Leuchtkörpers praktisch nicht oder wird lediglich um einen erheblich geringeren Bruchteil erhöht als der Widerstand an der be¬ trachteten Stelle. An der eng begrenzten Stelle mit leicht erhöhtem Widerstand erfolgt ein erhöhter Leis- tungseintrag, weil derselbe bzw. nur vergleichsweise ge¬ ringfügig erniedrigte Strom durch diese jetzt einen er¬ höhten Widerstand aufweisende Stelle fließt. Dadurch wird die Temperatur weiter erhöht, was wiederum die Verjüngung dieser Stelle gegenüber der Umgebung beschleunigt usw.. Auf die beschriebene Weise beschleunigt sich die Ausbil¬ dung einer dünnen Stelle von selbst und führt schließlich zum Durchbrennen des Leuchtdrahtes an dieser Stelle. Bei Lampen aus Metallcarbiden wie Tantalcarbid kommt als wei¬ terer Effekt gegenüber Glühkörpern aus Wolfram hinzu, dass das bei der Kohlenstoff-Verdampfung entstehende Sub- carbid Ta2C einen um einen Faktor von mehr als 3 höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als TaC, vgl. z.B. S, Okoli, R. Haubner, B. Lux, „Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure dia- mond deposition", Surface and Coatings Technology, 47 (1991), 585 - 599. Dieser Einfluss führt dazu, dass sich der destruktive Mechanismus bei Leuchtkörpern aus Tantal¬ carbid noch schneller aufschaukelt als bei solchen aus Wolfram.In this context, we will briefly discuss the failure mechanism of lamps with metallic carbide lamps. The failure mechanism is usually followed at least in principle the "hot spot" model as for Lam ¬ pen E. Kauer, W. Lechner, "On the lifetime of light bulbs," Philips described, for example with tungsten filament in H. Hörster, techn. Rsch. ^ 2_, 165-175 (1971/72). Due to a small "disturbance" along the filament wire, for example by an increased power input at a grain boundary, a small local change in the material data, a locally limited reduction of the wire diameter, a local contamination in the filament, too small a distance of two turns in use of coils, etc., there is a slight localized heating of a point relative to the environment (local limitation to max. 2 turns). the local He ¬ heightening causes the temperature of that from this point increasingly evaporates material and this point is thus ¬ given to the environment is tapered, whereby the resistance increases at this point. Since the increase in resistance is limited to a small area, AEN, the total resistance is not changed by the fact of the luminous body practical or is merely increases as the resistance at the point to be sought ¬ a considerably smaller fraction. At the narrow spot with a slightly increased resistance, an increased performance occurs tung entry, because the same or only comparatively ge ¬ ringfügig decreased current now flows through a ¬ it having creased resistance place therethrough. As a result, the temperature is further increased, which in turn accelerates the rejuvenation of this site relative to the environment, etc. In the manner described, the Ausbil ¬ tion of a thin spot accelerates itself and eventually leads to burning through the light wire at this point. In lamps of metal carbides such as tantalum carbide is added as a white ¬ more excellent effect compared with incandescent bodies of tungsten, that the sub-formed during the carbon evaporation carbide Ta 2 C a comprises a factor of more than 3 higher specific electrical resistance than TaC, see FIG. eg S, Okoli, R. Haubner, B. Lux, "Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition", Surface and Coatings Technology, 47 (1991), 585-599. This influence causes the destructive mechanism in luminous bodies of tantalum carbide ¬ builds up more rapidly than those made of tungsten.
Da der partiell entkohlte Leuchtkörper bereits insgesamt einen gegenüber voll aufgekohltem Metallcarbid erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, ist somit die Differenz zum Maximum des spezifischen elektrischen Widerstands des Metallcarbids MeCx (meist bei ca. x « 0,5) kleiner als für das voll aufgekohlte Metall-Carbid MeC. Damit ist beim unvollständig aufgekohlten bzw. par¬ tiell entkohlten Metallcarbid MeCx mit x < 0,95 die maxi¬ mal mögliche Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands bei der Bildung einer heißen Stelle kleiner als bei vollständig aufcarburiertem Metallcarbid. Die durch die Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands bei der Entcarburierung einer gegenüber der Umgebung heißeren Stelle bedingte Beschleunigung der Hot-Spot-Bildung ist somit bei dem partiell aufgekohltem bzw. unvollständig aufgekohltem Metallcarbid geringer.Since the partially decarburized filament already increased overall compared to a fully carburized metal carbide Thus, the difference to the maximum of the electrical resistivity of the metal carbide MeC x (usually at about x «0.5) is smaller than for the fully carburized metal carbide MeC. Thus, carburized in incomplete or par tially ¬ decarburized metal carbide MeC x with x <0.95, the maxi ¬ times possible increase of the electric resistivity in the formation of a hot spot smaller than completely aufcarburiertem metal carbide. The acceleration of the hot spot formation caused by the increase in the specific electrical resistance during the decarburization of a location that is hotter with respect to the environment is thus lower in the case of the partially carburized or incompletely carburized metal carbide.
Zur Vermeidung der Hot-Spot-Bildung ist es günstig, die Oberfläche des Leuchtkörpers durch chemische Abtragspro¬ zesse zu „glätten". Daher ist es vorteilhaft, zur Erzeu¬ gung von Leuchtkörpern aus Metallcarbiden mit einem un- terstöchiometrischen Gehalt an Kohlenstoff den Leuchtkör- per zunächst vollständig zu carburieren und anschließend wieder partiell zu decarburieren . Bei der Decarburierung werden Konzentrationsunterschiede aufgebaut, d.h. der Leuchtkörper (z.B. der Leuchtdraht) verarmt an der Außenseite an Kohlenstoff. Vor Inbetriebnahme des Leuchtkör- pers sollte daher eine Homogenisierung stattfinden, d.h. durch eine Diffusion des Kohlenstoffs von innen nach außen sollen Konzentrationsunterschiede ausgeglichen wer¬ den. Diese Homogenisierung sollte bevorzugt bei Tempera¬ turen zwischen 2300 K und 3000 K vorgenommen werden, d.h. bei Temperaturen, bei denen die Verdampfung von Tantal und Kohlenstoff noch hinreichend langsam, andererseits die Diffusion von Kohlenstoff schon hinreichend schnell ist (Ziel: eine möglichst kurze Verfahrenszeit) .In order to avoid the hot spot formation, it is favorable, the surface of the filament by chemical Abtragspro ¬ processes to "smooth out". Therefore, it is advantageous for the generation ¬ supply of light fittings of metal carbides with a un- terstöchiometrischen content of carbon the Leuchtkör- During decarburization, concentration differences are built up, ie the luminous element (eg the filament) depletes of carbon on the outside Before homogenizing the luminous body, it should therefore be homogenised, ie by diffusion of the carbon from the inside to the outside to concentration differences compensated ¬ the. This homogenization should preferably temperatures at tempera ¬ be made from 2300 K and 3000 K, that is at temperatures at which the evaporation of tantalum and carbon yet sufficiently slow, on the other hand the diffusion of carbon is already sufficiently fast (goal: the shortest possible process time).
Bei der Decarburierung sollten bevorzugt chemische Reaktionssysteme zum Einsatz kommen, bei denen lediglich gas- förmige Reaktionsprodukte entstehen , die den aus dem Me- tallcarbid entfernten Kohlenstoff enthalten. Dabei sollte das chemische Gleichgewicht bevorzugt stark auf der Seite der den entfernten Kohlenstoff tragenden gasförmigen Reaktanden liegen. Dadurch wird gewährleistet, dass bei der chemischen Decarburierung - anders als bei der zur Hot-Spot-Bildung führenden Verdampfung - sich keine Schwachstellen im Leuchtkörper ausbilden. Daher sollte die Temperatur bei der chemischen Decarburierung bevorzugt in einem solchen Temperaturbereich liegen, bei demFor decarburization, preference should be given to chemical reaction systems in which only gaseous reaction products are formed which contain the carbon removed from the metal carbide. The chemical equilibrium should preferably be strongly on the side of the gaseous reactants carrying the removed carbon. This ensures that in the chemical decarburization - unlike the evaporation leading to hot-spot formation - no weak spots in the luminaire form. Therefore, in the chemical decarburization, the temperature should preferably be in such a temperature range as that
a) die Verdampfung von Tantal und Kohlenstoff noch kei¬ ne große Rolle spielen, andererseits aber die Diffu¬ sion von Kohlenstoff aus dem Inneren heraus zur 0- berfläche des Leuchtkörpers bereits so schnell er¬ folgt, dass aus dem Inneren heraus Kohlenstoff nach- geliefert werden kann und die Decarburierung nicht nach Abreaktion einer dünnen Schicht an der Oberfläche zum Erliegen kommt, unda) the evaporation of tantalum and carbon nor kei play ¬ ne big role, but on the other hand Diffu ¬ sion of carbon from the inside out to 0- of the luminous body berfläche already as fast as he follows ¬ that carbon comes from the inside out demand and the decarburization does not stop after the reaction of a thin layer on the surface, and
b) das Gleichgewicht im gesamtem relevanten Temperaturbereich ganz auf der Seite der den Kohlenstoff tra- genden Reaktionsprodukte liegt und die Reaktion mög¬ lichst für alle Temperaturen im Bereich zwischen der maximalen Temperatur am Leuchtkörper bei der Entkohlung und einer um ca. 500K niedrigeren Temperatur gleich schnell abläuft; damit erfolgt der chemische Angriff nicht bevorzugt auf heißeste Stellen; son- dem der gesamte Leuchtkörper wird gleichmäßig che¬ misch angegriffen; dünne heiße Stellen genauso schnell wie dickere kältere. Bei dieser chemischen Reaktion sollte kein (oder nur in geringem Maße) Tantal abgetragen werden.b) the balance in the entire temperature range relevant entirely on the side of the carbon load-bearing reaction products and the reaction mög ¬ lichst for all temperatures in the range between the maximum temperature at the luminous element in the decarburization and a lower by about 500K temperature equal to quickly expires; Thus, the chemical attack is not preferred to hot spots; special the entire luminous body is uniformly attacked ¬ chemically; thin hot spots just as fast as thicker colder ones. In this chemical reaction, no (or only slightly) tantalum should be removed.
Ein Beispiel für ein solches chemischen Reaktionssystem stellt das System Tantal-Carbid - Sauerstoff dar. Hier wirkt der Sauerstoff stark decarburierend auf das Metall- Carbid ein, z.B: 2 TaC + 1/2O2 -> Ta2C + COAn example of such a chemical reaction system is the system tantalum-carbide-oxygen. Here, the oxygen acts strongly decarburating on the metal carbide, for example: 2 TaC + 1 / 2O 2 -> Ta 2 C + CO
Das Gleichgewicht liegt für alle Temperaturen, bei denen die Diffusion des Kohlenstoffs durch das TaC hinreichend schnell erfolgt - d.h. bei ca. T > 2200 K - und anderer¬ seits die Verdampfung von Kohlenstoff und Tantal noch hinreichend klein sind - d.h. ca. bei T < 3000 K, kom¬ plett auf der Seite des Kohlenmonoxid. Da die Reaktion bei den hohen Temperaturen auch hinreichend schnell ab¬ läuft, werden alle Stellen des Leuchtkörpers gleichmäßig stark chemisch „geätzt". Statt reinem Sauerstoff können auch andere Sauerstoff tragende Verbindungen, welche sich bei den hohen Temperaturen hinreichend schnell zersetzen und Sauerstoff freisetzen, als Precursor verwandt wer¬ den, z.B. Lachgas N2O, Kohlendioxid CO2, auch organische Verbindungen wie Formaldehyd, Aceton. Reines Kohlenmono- xid eignet sich naturgemäß nicht, weil hier der Sauer¬ stoff bereits fest abgebunden ist. Eine Bildung von Tan¬ taloxiden findet nicht bzw. nur untergeordnet statt, weil die Stabilität des CO bei den hier relevanten hohen Temperaturen viel größer ist. An den kälteren Wendelabgängen können sich Tantaloxide bilden. Diese werden in dem in der Regel Verbindungen mit Kohlenstoff enthaltenden Füll- gas bei höheren Temperaturen wieder unter Bildung von Kohlenmonoxid reduziert. Die Existenz von Kohlenmonoxid im Füllgas hat keine negativen Auswirkungen auf den bei hohen Temperaturen betriebenen Leuchtkörper.The balance is for all temperatures at which the diffusion of the carbon by the TaC quickly enough - ie at about T> 2200 K - and other ¬ hand, the evaporation of carbon and tantalum are still sufficiently small - ie approximately at T < 3000 K, com pletely ¬ on the side of the carbon monoxide. Since the reaction at the high temperatures and sufficient quickly expires ¬, all parts of the filament are "etched" equally strong chemical. Instead of pure oxygen, other oxygen-bearing compounds which sufficiently rapidly decompose at the high temperatures and release oxygen when precursor related ¬ to, for example, nitrous oxide N 2 O, carbon dioxide CO 2, and organic compounds such as formaldehyde, acetone. Pure Kohlenmono- oxide is naturally impossible formation of Tan ¬ is because here the Sauer ¬ material is already cured. taloxiden is not or only subordinate, because the stability of the CO is much higher at the relevant high temperatures, and tantalum oxides can form on the colder spiral outlets, which are contained in the filler, which usually contains compounds containing carbon. Gas at higher temperatures again reduced to form carbon monoxide. The presence of carbon monoxide in the filling gas has no negative effects on the high-temperature lamps.
Bei der Entkohlung sollte die Konzentration des die Entkohlung bewirkenden Stoffes bevorzugt so klein gewählt werden, dass die Geschwindigkeit der Entkohlung allein durch die Anzahl der pro Zeiteinheit auf die Oberfläche auftretenden Atome bzw. Moleküle dieses Stoffes beispielsweise Sauerstoff-Atome, die evtl. aus dem Zer¬ fall eines Precursors entstanden sind - bestimmt wird. Findet bei zu großen Konzentrationen des zur Entkohlung eingesetzten Reagens eine vollständige Entkohlung an der Außenseite des Leuchtkörpers statt, so entsteht auf der Außenseite des Leuchtkörpers eine Schicht aus Tantal, welche ihrerseits wieder Schichten aus Tantal- Subcarbiden umhüllt, die ihrerseits wieder das Tantalcar- bid umfassen. Z.B. ein Leuchtdraht besteht dann aus einer Seele aus Tantalcarbid, welche von einem Mantel aus Tan- talsubcarbid (bzw. evtl. zwei Phasen von Tantalsubcarbi- den) umfasst wird. Das Tantalsubcarbid wird von einem Mantel aus Tantal umhüllt. Ist die Entkohlung so weit fortgeschritten, dass sich an der äußeren Oberfläche bereits eine Schicht aus Tantal gebildet hat, so wird die Geschwindigkeit der Entkohlung von der Diffusion des Kohlenstoffs durch das Tantal bzw. das Tantalsubcarbid be¬ stimmt. Da der Diffusionskoeffizient für die Diffusion von Kohlenstoff durch Tantal bzw. Tantalsubcarbid mit steigender Temperatur stark ansteigt, werden dann heißere Stellen bevorzugt entkohlt. Je weiter die Entkohlung fortgeschritten ist, um so höher ist nach der Homogeni- sierung der spezifische elektrische Widerstand. D.h., dass lokal begrenzt heißere Stellen am Leuchtkörper unter diesen Bedingungen bevorzugt entkohlt werden und somit im Lampenbetrieb wegen des folglich hier lokal erhöhten spe- zifischen elektrischen Widerstands mehr Leistung eingetragen wird als in der Umgebung, was zu einer weiteren lokalen Temperaturerhöhung führt und somit die „Hot-Spot" Bildung fördert. Unter diesen Randbedingungen bei der Entkohlung werden somit Temperaturdifferenzen längs des Leuchtkörpers weiter verstärkt. Zudem kommt es bei einer vollständigen Entkohlung der Oberfläche des Leuchtkörpers in vielen Fällen zu einem chemischen Angriff des die Entkohlung bewirkenden Stoffes auf das Tantal und folglich zu einer Verjüngung und Aufheizung der bereits ohnehin heißeren Stellen. Dies ist z.B. bei der Verwendung von Sauerstoff der Fall. Der chemische Angriff des Sauer¬ stoffs auf das Tantal setzt ein, wenn sich kein Kohlen¬ stoff mehr an der Oberfläche des Leuchtkörpers befindet und somit kein CO mehr gebildet werden kann. Um dies zu vermeiden, sollten die Randbedingungen bei der Entkohlung bevorzugt so eingestellt werden, dass der für alle Stel¬ len nahezu gleiche Partialdruck der Sauerstoff-Atome an der Oberfläche des Leuchtkörpers die Geschwindigkeit der Entkohlung bestimmt. D.h. der Entkohlungsgrad sollte durch das nur vergleichsweise gering von der Temperatur abhängige Produkt Z-p-t bestimmt werden (Z: Stoßzahl, p: Partialdruck des Sauerstoffs bzw. der die Entkohlung bewirkenden Substanz, t: Zeit) . In diesem Fall verdoppelt sich z.B. die Geschwindigkeit der Entkohlung, wenn der Partialdruck des Sauerstoffs bzw. der sauerstoffhaltigen Substanz verdoppelt wird. Es muss darauf geachtet werden, dass der sauerstoffhalti¬ ge Precursor, wenn er auf den Leuchtkörper trifft, über weite Temperatur-Bereiche bereits zerfallen ist, weil an¬ derenfalls wieder die Kinetik des Zerfalls des Precursors zu der zu vermeidenden bevorzugten Entkohlung heißerer Stellen führt.In the decarburization, the concentration of the decarburization agent should preferably be chosen so small that the rate of decarburization alone by the number of atoms per unit time occurring on the surface atoms or molecules of this substance, for example, oxygen atoms, possibly from the Zer ¬ case of a precursor have arisen - is determined. If complete decarburization takes place on the outside of the luminous body if the concentration of the decarburization agent is too great, a layer of tantalum is formed on the outside of the luminous element, which in turn envelops layers of tantalum subcarbides, which in turn comprise the tantalum carbide , For example, a luminous wire then consists of a tantalum carbide core, which is covered by a tantalum subcarbide shell (or possibly two phases of tantalum subcarbide). The tantalum subcarbide is surrounded by a shell of tantalum. Is the decarburization progressed so far that on the outer surface already a layer of tantalum is formed, so the rate of decarburization of the diffusion of the carbon is overruled by the tantalum or the Tantalsubcarbid be ¬. Since the diffusion coefficient for the diffusion of carbon by tantalum or tantalum subcarbide increases sharply with increasing temperature, hotter areas are then preferably decarburized. The further the decarburization has progressed, the higher is the homogeneity tion of the specific electrical resistance. This means that locally hotter areas on the luminous element are preferably decarburized under these conditions, and therefore more power is introduced in the lamp operation because of the locally increased specific electrical resistance than in the surroundings, which leads to a further local temperature increase and thus the " Hot-spot "formation under these conditions during the decarburization thus further increases temperature differences along the luminous body.Also, in a complete decarburization of the surface of the filament in many cases, a chemical attack of the decarburising agent on the tantalum and consequently a rejuvenation and heating of the already anyway hotter places. This is for example in the use of oxygen in the case. the chemical attack of sour ¬ substance on the tantalum a thus made when there is no coal ¬ material is more on the surface of the luminous body and no CO meh r can be formed. To avoid this, the boundary conditions should preferably during the decarburization be adjusted so that the determined for all Stel ¬ len almost the same partial pressure of the oxygen atoms at the surface of the luminous body, the rate of decarburization. That is, the degree of decarburization should be determined by the product Zpt, which is only comparatively slightly dependent on the temperature (Z: burst number, p: partial pressure of the oxygen or of the substance causing the decarburization, t: time). In this case, for example, the rate of decarburization doubles when the partial pressure of the oxygen or the oxygen-containing substance is doubled. It must be ensured that the sauerstoffhalti ¬ ge precursor, is when it encounters the luminous body, already disintegrated over wide temperature ranges, because their case again the precursor leads to ¬ the kinetics of decay to the hotter unavoidable preferred decarburization points.
Wird zur Herstellung von unterstöchiometrischen Metall- carbiden das Verfahren der unvollständigen Aufkohlung eingesetzt, so können die in den letzten Absätzen be- schriebenen möglichen Komplikationen nicht auftreten. Bei diesem Verfahren werden die heißesten Stellen am weitesten aufgekohlt und weisen daher nach der Homogenisierung einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand auf als die Umgebung. Dadurch werden bestehende Temperaturun- terschiede eher ausgeglichen; allerdings muss man auf die glättende Wirkung bei der Einwirkung der entkohlenden Substanz verzichten. Die Glättung kann ggf. in einem weiteren Verfahrensschritt durchgeführt werden, z.B. in ei¬ ner nachgelagerten Behandlung mit Halogen, Sauerstoff, usw.If incomplete carburizing is used for the production of substoichiometric metal carbides, the possible complications described in the last paragraphs can not occur. In this method, the hottest points are carburized furthest and therefore have a lower electrical resistivity after homogenization than the environment. As a result, existing temperature differences are more likely to be compensated; However, you have to do without the smoothing effect of the action of the decarburizing substance. The smoothing may optionally be carried out in a further process step, for example in egg ¬ ner downstream treatment with halogen, oxygen, etc.
Die Verfahrensführung bei der unvollständigen Aufkohlung wird bevorzugt so ausgelegt, dassThe procedure for incomplete carburizing is preferably designed so that
die Einwirkzeit des zur Carburierung benutzten Gasgemisches gegenüber der vollständigen Carburierung so verkürzt wird, dass sich der Aufkohlungsgrad im Tantal- carbid im angegebenen Zielbereich befindet.the reaction time of the gas mixture used for the carburization is shortened compared with the complete carburization so that the degree of carburization in the tantalum carbide is within the stated target range.
der Kohlenstoffgehalt im zur Aufkohlung benutzen Gas (vorteilhaft CH4 / H2 - Gemisch, möglich sind aber auch andere Kohlenwasserstoff - Wasserstoff - Inert- gas Gemische) herabgesetzt wird. - die Temperatur des aufzukohlenden Drahtes erniedrigt wird, (vorteilhaft von typischerweise 2900 K - 3100 K auf ca. 2600 K - 2800 K) . Die Absenkung der Leuchtkörpertemperatur kann zum einen über eine geringere Leistungs- einbringung erfolgen aber auch bei gleicher Leistungszufuhr über eine erhöhte Wärmeableitung über das Aufkoh- lungsgas .the carbon content in the gas used for carburization (advantageously CH 4 / H 2 mixture, but possible also other hydrocarbon - hydrogen - inert gas mixtures) is reduced. - The temperature of the wire to be carburized is lowered, (advantageously from typically 2900 K - 3100 K to about 2600 K - 2800 K). The lowering of the luminous body temperature can take place on the one hand via a lower power input but also with the same power supply via an increased heat dissipation via the carbonization gas.
Der bei der unvollständigen Aufkohlung zur Folge erhöhte Wasserstoffgehalt im Metallcarbid (z.B. Tantalcarbid ) kann zu einer verstärkten Abgabe von Wasserstoff im Lampenbetrieb führen. Diese Wasserstoffabgäbe im Lampenbe¬ trieb führt zu einer Verringerung der Schwärzung und zu einer Erhöhung der Lebensdauer im Lampenbetrieb. Der vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff reagiert durch den bei höheren Temperaturen herausgelösten Wasserstoff nahe der Kolbenwand zu Kohlenwasserstoffen (insbesondere Me¬ than) , das dann wieder bei höheren Temperaturen aufgespalten wird und so den bereits eingangs erwähnten Koh- lenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess bildet. .The increased hydrogen content in the metal carbide (eg tantalum carbide) resulting from incomplete carburization can lead to an increased release of hydrogen during lamp operation. This hydrogen emission in the operation of lamps leads to a reduction of the blackening and to an increase of the service life in lamp operation. The carbon which evaporates from the luminous body reacts by means of the hydrogen dissolved out at higher temperatures near the piston wall to give hydrocarbons (in particular methane ), which is then split again at relatively high temperatures and thus forms the carbon-hydrogen cyclic process already mentioned. ,
Bei der unvollständigen Aufkohlung wirkt sich eine Erhöhung des Druckes des Wasserstoffreichen Aufkohlungsmedi- ums zudem positiv aus (von ca. typischerweise 1 mbar auf ca. 1000 mbar) . Durch die höhere Wärmeleitung - bedingt durch den höheren Druck - im Wasserstoffreichen Aufkoh- lungsgas (z.B. CH4 / H2 -Gemisch) liegt eine höhere Glas¬ temperatur in der aufzukohlenden Lampe vor, was zu einer Begünstigung der Wasserstoffdiffusion in den vorhandenen Lampenkolben (bevorzugt aus Quarzglas) führt. Dadurch kann zumindest teilweise verhindert werden, dass später im Lampenbetrieb der für den C-H-Kreisprozess notwendige Wasserstoff aus dem Füllgas zu schnell im Quarzglas ab- sorbiert wird. Neben dem Glas können auch die metalli¬ schen Bauteile (z.B. aus uncarburiertem Tantal bestehender Wendelabgang nahe der Quetschkante in Figur 1, Gestellteile , Überzugswendeln, Halter, usw. , eventuell auch angeschweißte Katalysatoren, wie z.B. in DE 10 2004 059 174 1 beschrieben) aufgrund des höheren Wasserstoff- Partialdruckes auch mehr Wasserstoff lösen bzw. als Me¬ tallhydrid binden. Diese stark mit Wasserstoff beladenen Metalle absorbieren dann später im Lampenbetrieb weniger Wasserstoff bzw. geben evtl. sogar Wasserstoff ab und tragen somit dazu bei, dass der Wasserstoffgehalt während des Lampenbetriebs stabilisiert oder leicht erhöht wird und somit das Eintreten der Kolbenschwärzung hinausgezögert oder verhindert wird. Bei Verwendung eines Drucks von beispielsweise 1 bar bei der Aufkohlung liegt der Wasserstoff-Partialdruck bei der Aufkohlung näher am späteren Wasserstoff-Partialdruck in der abgeschlossenen Lampe im Lampenbetrieb. Damit entspricht das sich während der Aufkohlung einstellende Gleichgewicht zwischen Was- serstoffadsorption bzw. -absorption und Wasserstoffde- sorption weitgehend den Verhältnissen in der abgeschlossenen Lampe, d.h. später im Lampenbetrieb ist der Wasserstoffpartialdruck in der Lampe stabiler, weil die Beladung der einzelnen Bauteile mit Wasserstoff den Gleichge- wichtsverhältnissen der gefüllten Lampe näher kommt.Incomplete carburization also has a positive effect on increasing the pressure of the hydrogen-rich carburizing medium (from approx. Typically 1 mbar to approx. 1000 mbar). Due to the higher thermal conductivity - due to the higher pressure - in the hydrogen-rich carburising gas (for example, CH 4 / H 2 mixture) is a higher glass ¬ temperature in the carburized lamp in front, which is preferably of favoring the hydrogen diffusion into the existing lamp bulb ( made of quartz glass) leads. As a result, it can be at least partially prevented that the hydrogen from the filling gas necessary for the CH cyclic process becomes too fast in the quartz glass later during lamp operation. is sorbed. In addition to the glass and the metalli ¬ rule components (eg from uncarburiertem tantalum existing outgoing filament near the pinch in Figure 1, frame parts, coating coils, holders, etc., may also be welded catalysts such as described in DE 10 2004 059 174 1) due the higher hydrogen partial pressure also dissolve more hydrogen or bind as Me ¬ tallhydrid. These highly hydrogen-loaded metals then absorb less hydrogen during lamp operation or possibly even release hydrogen and thus contribute to stabilizing or slightly increasing the hydrogen content during lamp operation and thus delaying or preventing the onset of bulb blackening. When using a pressure of, for example, 1 bar during carburization, the hydrogen partial pressure during carburization is closer to the later hydrogen partial pressure in the closed lamp during lamp operation. Thus, the equilibrium between hydrogen adsorption or absorption and hydrogen absorption which occurs during carburization largely corresponds to the conditions in the sealed lamp, ie later in lamp operation the hydrogen partial pressure in the lamp is more stable because the charging of the individual components with hydrogen is more stable Equilibrium ratios of the filled lamp comes closer.
Statt Sauerstoff kann zur Entkohlung auch Schwefel verwendet werden, z.B. in Form von Schwefelwasserstoff H2S, Schwefelkohlenstoff CS2 oder auch Mercaptanen. Im rele¬ vanten Temperaturbereich von ca. 2200 K < T < 3000 K ent- steht die sehr stabile Verbindung CS, durch welche der Kohlenstoff abgeführt werden kann. Stark vereinfacht kommt es somit zu folgenden Reaktio¬ nen :Instead of oxygen, sulfur can also be used for decarburization, for example in the form of hydrogen sulphide H 2 S, carbon disulfide CS 2 or else mercaptans. In the rele ¬ vant temperature range of about 2200 K <T <3000 K results in the very stable compound CS, through which the carbon can be removed. Simplistically, there are therefore following Reaktio ¬ nen:
H2S -> S + H2 2 TaC + S -> Ta2C + CS Ein Zerfall von CS tritt erst bei Temperaturen deutlich oberhalb 3000 K auf. Auch hier kommt es zu keiner Reakti¬ on zu Tantalsulfiden zumindest bei den betrachteten hohen Temperaturen im Leuchtkörper oberhalb 2200K. Tantalsulfide entstehen an den kälteren Wendelabgängen.H 2 S -> S + H 2 2 TaC + S -> Ta 2 C + CS A decomposition of CS only occurs at temperatures significantly above 3000 K. Again, there is no Reakti ¬ on tantalum sulfides, at least at the considered high temperatures in the luminous body above 2200K. Tantalum sulfides are formed on the colder spiral outlets.
Die Verwendung von Chlor oder Brom ist in dieser Weise nicht möglich, weil Kohlenstoff-Chlor und Kohlenstoff- Brom Verbindungen im relevanten Temperaturbereich nicht mehr existent sind, d.h. diese Verbindungen bei deutlich niedrigeren Temperaturen meist unter 1000 K bereits in die Elemente zerfallen sind. Da bei so niedrigen Tempera¬ turen die Geschwindigkeiten der Diffusion durch das Me- tallcarbid sehr gering sind, wird nur die äußere Schicht des Leuchtkörpermaterials angegriffen. Zudem entstehen bei den Temperaturen, bei denen CCl4, CBr4 usw. gebildet werden (d.h. z.B. Temperaturen meist deutlich unterhalb 1000 K) , auch Metallhalogenide, z.B. Tantalhalogenide. Durch den dadurch bedingt auftretenden gleichzeitigen Abtrag von Kohlenstoff und Tantal gelingt es jedoch, die Leuchtkörperoberfläche zu „glätten" bzw. zu „homogenisie- ren" . Es hat sich herausgestellt, dass die Behandlung der Drahtoberfläche gewinnbringend ist, wenn zwischendurch eine höhere Temperatur im Bereich zwischen ca. 2400 K und 3000 K angewandt wird, bei der es zu schnellen Diffusi¬ onsvorgängen im Draht kommt. D.h. bei Verwendung von TaC als Leuchtkörpermaterial, dass eine Temperatur von ca. typischerweise ca. 500 K - 800 K zur Reaktion mit dem Chlor verwandt wird, zwischenzeitlich für kurze Zeiten (ca. 5s - 20 s) jedoch die Temperatur des Leuchtkörpers auf 2400 K und 3000 K erhöht wird. Dadurch kann auch ei¬ ne partielle Decarburierung erreicht werden. Bei der Ver- wendung von Fluor bilden sich vor allem Tantalfluoride.The use of chlorine or bromine is not possible in this way, because carbon-chlorine and carbon-bromine compounds in the relevant temperature range are no longer existent, ie these compounds are already decomposed at much lower temperatures usually below 1000 K into the elements. Because at such low temperature ¬ the rates of diffusion through the metal structures tallcarbid are very small, the outer layer of the filament material is only attacked. In addition, arise at the temperatures at which CCl 4 , CBr 4 , etc. are formed (ie, for example, usually temperatures well below 1000 K), and metal halides, such as tantalum halides. Due to the concomitant simultaneous removal of carbon and tantalum, however, it is possible to "flatten" or "homogenize" the luminous body surface. It has been found that the treatment of the wire surface is profitable, if in between a higher temperature in the range between about 2400 K and 3000 K is applied, which leads to rapid diffusion ¬ onsvorgängen in the wire. That is, when using TaC as a filament material, that a temperature of about typically about 500 K - 800 K for the reaction with the Chlorine is used, in the meantime for short times (about 5s - 20 s), however, the temperature of the filament is increased to 2400 K and 3000 K. This also ei ¬ ne partial decarburization can be achieved. When fluorine is used, especially tantalum fluorides are formed.
Analog lässt sich prinzipiell auch Wasserstoff zur Ent¬ kohlung verwenden. Wasserstoff reagiert mit Kohlenstoff zu gasförmigen Kohlenwasserstoffen nur bei Temperaturen deutlich unter 1000 K, d.h. bei Temperaturen, bei denen die Reaktion an der Oberfläche stehen bleibt, weil der Kohlenstoff wegen der viel zu geringen Diffusionsge¬ schwindigkeit nicht mehr von innen nachgeliefert werden kann. Durch eine kurzzeitige vorübergehende Aufheizung des Leuchtkörpers auf Temperaturen im Bereich zwischen 2400 K und 3000 K wird dem Kohlenstoff wieder die Diffu¬ sion aus dem Inneren an die Oberfläche ermöglicht. Danach findet dann wieder bei niedrigerer Temperatur die Entkohlung statt. D.h. durch alternierenden Betrieb des Leuchtkörpers bei niedrigen Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und höheren Temperaturen im Bereich zwischen 2400 K und 3000 K werden abwechselnd eine Entkohlung auf der Oberfläche des Leuchtkörpers und eine Nachlieferung des Kohlenstoffs aus dem Inneren durchgeführt. Bei dieser Verfahrensführung treten naturgemäß längere Verfahrens- zeiten auf als bei der Verwendung von Sauerstoff oder Schwefel. Ein Vorteil dieser Verfahrensführung besteht darin, dass bei Wahl einer „geeigneten" (bei der die Ent- kohlungsreaktion bereits hinreichend schnell verläuft) mittleren Temperatur des Leuchtkörpers und hinreichend hohen Partialdrücken an Wasserstoff (welche ebenfalls da¬ zu beitragen, dass die Reaktion hinreichend schnell ver- läuft) heißere Stellen weniger stark angegriffen werden als kältere, weil das Gleichgewicht mit steigender Tempe¬ ratur in die Richtung der Kohlenwasserstoff- Zerfallsprodukte verschoben wird.Analog can in principle also use hydrogen to Ent ¬ carbonisation. Hydrogen significantly react with carbon to form gaseous hydrocarbons at temperatures below 1000 K, ie at temperatures at which the reaction stops at the surface because the carbon speed can not be supplied from the inside because of the much too low Diffusionsge ¬. By a brief transient heating of the filament at temperatures ranging from 2400 K to 3000 K the carbon is again Diffu ¬ sion from the interior to the surface allows. After that, decarburization then takes place again at a lower temperature. That is, by alternately operating the filament at low temperatures well below 1000 K and higher temperatures in the range between 2400 K and 3000 K alternately decarburization on the surface of the filament and a subsequent delivery of carbon from the inside are performed. Naturally, this procedure leads to longer process times than when using oxygen or sulfur. An advantage of this procedure is that, when choosing a "suitable" (in which the decarburization already proceeds sufficiently fast) average temperature of the filament and sufficiently high partial pressures of hydrogen (which also there ¬ contribute to that the reaction ver sufficiently fast ver - running) hotter places are less severely affected than colder because the balance with increasing Tempe ¬ ture in the direction of the hydrocarbon is moved decay products.
Der Entkohlungsgrad lässt sich einfach und zerstörungs¬ frei z.B. durch Messung des spezifischen elektrischen Widerstands von partiell entkohlten im Vergleich zu voll aufgekohlten Wendeln bestimmen, vgl. z.B. J.R.Cooper and R. L. Hansler, „Variation of Electrical Resistivity of cu- bic tantalum carbide with composition", Journal of Chemical Physics 3_9, 248-249 (1963), oder G. Santoro, „Varia¬ tion of Some Properties of Tantalum Carbide with Carbon Content", TRANSACTIONS OF THE METALLURGICAL SOCIETY OF AIME, vol. 227, 1361 -1368 (1963). Der Einsatz aufwändi- gerer - z.B. spektroskopischer - Methoden - ggf. nach chemischen Umsetzungen - ist ebenfalls möglich, vgl. z.B. die zuletzt angegebene Literaturstelle bzw. die o.g. Ar¬ beit von Hörz .The degree of decarburization can be determined in a simple and destructive manner , for example by measuring the specific electrical resistance of partially decarburized coils in comparison to fully carburized coils, cf. eg JRCooper and RL Hansler, "Variation of Electrical Resistivity of cu bic tantalum carbide with composition", Journal of Chemical Physics 3_9, 248-249 (1963) or G. Santoro, "Varia ¬ tion of Some Properties of Tantalum Carbide with Carbon Content ", TRANSACTIONS OF THE METALLURGICAL SOCIETY OF AIME, vol. 227, 1361-1368 (1963). The use of more complex methods - eg spectroscopic methods - possibly after chemical reactions - is also possible, cf. eg the most recently cited reference or the abovementioned article by Hörz.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)Short description of the drawing (s)
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Aus- führungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :In the following, the invention will be explained in more detail with reference to several exemplary embodiments. The figures show:
Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel.1 shows an incandescent lamp with carbide filament according to an embodiment.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Figur 1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben aus Quarzglas 2, einer Quetschung 3, und innere Stromzuführungen 6, die Folien 4 in der Quetschung 3 mit einem Leuchtkörper 7 verbinden. Der Leuchtkörper ist ein einfach gewedelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen ungewendelte Enden 14 quer zur Lampenachse weitergeführt sind. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 5 mm. Die Wendelenden 14 sind anschließend parallel zur Lampenachse abgebogen und bilden dort die inneren Stromzuführungen 6 als integrale Verlängerung. Die Stromzuführungen 6 sind mindestens über einen Teil ihrer ge- samten Länge mit einer Überzugswendel oder mit einer Be- schichtung 8, z.B. aus Kohlenstoff, Rhenium, Osmium, oder Tantalborid, versehen, um die mechanische Stabilität an der Quetschkante zu erhöhen.FIG. 1 shows an incandescent lamp 1 with a bulb of quartz glass 2, a pinch 3, and internal power supply lines 6, the foils 4 in the pinch seal 3 connect with a luminous element 7. The luminous element is a simply wound, axially arranged wire made of TaC, whose uncoiled ends 14 are continued transversely to the lamp axis. The outer leads 5 are attached to the outside of the foils 4. The inner diameter of the piston is 5 mm. The coil ends 14 are then bent parallel to the lamp axis and form the inner power supply lines 6 as an integral extension. The current supply lines 6 are provided with a coating coil or with a coating 8, for example of carbon, rhenium, osmium or tantalum boride, over at least part of their entire length, in order to increase the mechanical stability at the pinch edge.
Die aus Tantalcarbid bestehende Glühwendel der schema- tisch in Figur 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weitgehend einer auf dem Markt erhältlichen Niedervolt-Halogenglühlampe entspricht, ist durch Carburie- rung einer aus Tantaldraht (Durchmessers 125 μm) gewi¬ ckelten Wendel (6 Windungen) entstanden. Zur Entkohlung wurde der TaC Leuchtkörper in der Stängellampe durch Anlegen einer äußeren Spannung auf ca. 3000 K erhitzt. Als entkohlendes Reagens wird ein Inertgas wie Krypton im Druck-Bereich zwischen 10 mbar und 30 mbar sowie einem Zusatz von N2O im Konzen-trationsbereich zwischen 50 ppm und 200 ppm gewählt . Wählt man für die Einwirkzeit die¬ ses zur Entkohlung eingesetzten Gases eine Zeit im Bereich zwischen 2 Minuten und 8 Minuten, so gelangt man in den Bereich geeigneter Entkohlungsgrade . Bei Verwendung von Xenon als Grundgas, zu dem noch Wasserstoff und HaIo- gen enthaltende Substanzen beigefügt werden, weist die Lampe bei Betrieb an 13 V eine Leistungsaufnahme von ca. W auf, wobei die Farbtemperatur charakteristischerwei¬ um 3500 K liegt. Which consists of tantalum carbide filament lamp schematically shown in Figure 1, the basic design largely corresponds to a low-voltage halogen incandescent lamp available on the market, by Carburie- tion of a tantalum wire (diameter 125 micrometers) threaded ¬ oped helical (6 turns) emerged. For decarburization, the TaC filament was heated in the stud lamp by applying an external voltage to about 3000 K. As the decarburizing reagent, an inert gas such as krypton in the pressure range between 10 mbar and 30 mbar and an addition of N 2 O in the concentration range between 50 ppm and 200 ppm is selected. If one chooses a time ranging between 2 minutes and 8 minutes for the exposure time, the ¬ ses gas used for decarburization, so you get into the range of suitable Entkohlungsgrade. When xenon is used as the base gas, to which hydrogen and halide-containing substances are added, the lamp has a power consumption of approx. 13 V when operated at approx. W, wherein the color temperature is characteristic ¬ around 3500 K.

Claims

Ansprüche claims
1. Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper und mit Stromzuführungen, die den Leuchtkörper haltern, wobei ein Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben vakuumdicht eingebracht ist, wobei der Leucht- körper ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des Metallcarbids kleiner ist als es einer vollständigen Carburierung entsprechen würde, wobei eine vollständige Carburie- rung so zu verstehen ist, dass sie zur Entstehung von Metallcarbiden führt, bei denen die Anzahl der Metallatome und der Kohlenstoffatome in einem ganzzahligen stöchiometrischen Verhältnis zueinander stehen.1. incandescent lamp with carbide-containing luminous body and with power supply lines, which hold the luminous element, wherein a luminous body is introduced in a vacuum-tight together with a filling in a piston, wherein the luminous body has a metal carbide whose melting point is above that of tungsten, characterized in that the carbon content of the metal carbide is less than would correspond to a complete carburization, a complete carburization being understood to result in the formation of metal carbides in which the number of metal atoms and carbon atoms are in an integer stoichiometric ratio.
2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass die Füllung Halogen enthält.2. An incandescent lamp according to claim 1, characterized in / that contains the filling halogen.
3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, der Leuchtkörper aus Tantalcarbid TaCx mit x<l besteht, wobei der bevorzugte Kohlenstoffgehalt im Tantalcarbid TaCx durch 0,5 < x < 0,95 und besonders bevorzugt durch 0,75 < x < 0,85 gegeben ist.3. Incandescent lamp according to claim 1, characterized in that, the luminous body of tantalum TaC x x <x, wherein the preferred carbon content in the tantalum TaC x by 0.5 <x <0.95 and more preferably by 0.75 < x <0.85 is given.
4. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuσhtkörper aus Hafniumcarbid HfCx besteht, wobei der bevorzugte Kohlenstoffgehalt im Hafniumcarbid HfCx durch 0,5 < x < 0,95 und besonders bevorzugt durch 0,85 < x < 0,95 gegeben ist. 4. Incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the Leuσhtkörper of hafnium carbide HfC x , wherein the preferred carbon content in the hafnium carbide HfC x by 0.5 <x <0.95 and more preferably by 0.85 <x <0.95 given is.
5. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus einer Legierung verschiedener Metallcarbide besteht.5. Incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous body consists of an alloy of different metal carbides.
6. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit einem unterstöchiometri- schen Kohlenstoffgehalt hergestellt wurde durch eine zunächst vollständige Carburierung des Metalls, ge¬ folgt von einer Entkohlung durch Einwirkung von Sauerstoff, oder N20, oder C02, oder Aceton, oder ande- ren sauerstoffhaltigen anorganischen oder organischen Substanzen auf den bei Temperaturen oberhalb 2000 K, bevorzugt im Bereich zwischen 2300 K und 3000 K be¬ triebenen Leuchtkörper.6. An incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous element was prepared with a substoichiometric's carbon content by a first complete carburization of the metal, ge ¬ followed by a decarburization by exposure to oxygen, or N20, or C02, or acetone, or on the other ren oxygen-containing inorganic or organic substances on the at temperatures above 2000 K, preferably in the range between 2300 K and 3000 K ¬ be exaggerated luminous body.
7. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit einem unterstöchiometri- schen Kohlenstoffgehalt hergestellt wurde durch eine zunächst vollständige Carburierung des Metalls, ge¬ folgt von einer Entkohlung durch Einwirkung von Schwefel, oder CS2, oder CS, oder eines Mercaptans, oder anderen schwefelhaltigen anorganischen oder organischen Substanzen auf den bei Temperaturen oberhalb 2000 K, bevorzugt im Bereich zwischen 2300 K und 3000 K betriebenen Leuchtkörper.7. An incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous element was prepared with a substoichiometric's carbon content by a first complete carburization of the metal, ge ¬ followed by a decarburization by the action of sulfur or CS2, or CS, or a mercaptan, or other sulfur-containing inorganic or organic substances on the operated at temperatures above 2000 K, preferably in the range between 2300 K and 3000 K luminous body.
8. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit einem unterstöchiometri- schen Kohlenstoffgehalt hergestellt wurde durch eine unvollständige Carburierung des Ausgangsmetalls. 8. Incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous body was produced with a substoichiometric carbon content by incomplete carburization of the starting metal.
9. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffgehalt in der Gasphase der Lampe9. Incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the hydrogen content in the gas phase of the lamp
(Lampenkolben, Gestellbauteile, Überzugswendel,(Lamp envelope, frame components, coating spiral,
Leuchtkörper mit Wendelabgängen) stabiler ist, bevor- zugt eingestellt über einen höheren PartialdruckFilament with filament outlets) is more stable, preferably set at a higher partial pressure
(z.B. 1000 mbar anstatt 1 mbar) beim Aufkohlungsver- fahren und damit einer relativ starken Beladung der(For example, 1000 mbar instead of 1 mbar) in the carburizing and thus a relatively heavy loading of
Bauteile der Lampe (Lampenkolben, Gestellbauteile,Components of the lamp (lamp flask, frame components,
Überzugswendel, Leuchtkörper mit Wendelabgängen) mit Wasserstoff.Coil, filament with spiral outlets) with hydrogen.
10. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Metallcarbid bestehende Leuchtkörper durch Betrieb in einer halogenhaltigen Atmosphäre geglättet wurde.10. Incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the consisting of metal carbide filament was smoothed by operation in a halogen-containing atmosphere.
11. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer ein Halogen enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande¬ rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K vorbehandelt wurde.11. An incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the filament was pretreated by alternating operation in a halogen-containing atmosphere on the one hand at temperatures well below 1000 K and oner hand ¬ in the temperature range between 2400 K and 3000 K.
12. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande- rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K decarburiert wurde.12. An incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the filament was decarburized by alternating operation in a hydrogen-containing atmosphere on the one hand at temperatures well below 1000 K and on the other hand in the temperature range between 2400 K and 3000 K.
13. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkör- per mit einem unterstöchiometrischen Kohlenstoffge- halt hergestellt wurde durch eine unvollständige Car- burierung des Ausgangsmetalls.13. A method for producing an incandescent lamp according to claim 1, characterized in that the luminous body was produced with a substoichiometric carbon content due to an incomplete carburetion of the starting metal.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Metallcarbid bestehende Leuchtkörper durch Betrieb in einer halogenhaltigen Atmosphäre geglättet wurde.14. The method according to claim 13, characterized in that the consisting of metal carbide filament was smoothed by operation in a halogen-containing atmosphere.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer ein Halogen enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande¬ rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K vorbehandelt wurde.15. The method according to claim 13, characterized in that the luminous body was pretreated by alternating operation in a halogen-containing atmosphere on the one hand at temperatures well below 1000 K and oner hand ¬ in the temperature range between 2400 K and 3000 K.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande¬ rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K decarburiert wurde. 16. The method according to claim 13, characterized in that the luminous element was decarburized by alternating operation in a hydrogen-containing atmosphere on the one hand at temperatures well below 1000 K and on the other ¬ hand in the temperature range between 2400 K and 3000 K.
PCT/EP2006/068738 2005-11-30 2006-11-22 Halogen light bulb comprising a carbide-containing filament WO2007063008A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510057084 DE102005057084A1 (en) 2005-11-30 2005-11-30 Incandescent filament with melting point exceeding that of tungsten, used in quartz halogen bulb, contains metal carbide in which carbon content is sub-stoichiometric
DE102005057084.4 2005-11-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2007063008A2 true WO2007063008A2 (en) 2007-06-07
WO2007063008A3 WO2007063008A3 (en) 2007-10-11

Family

ID=37943845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/068738 WO2007063008A2 (en) 2005-11-30 2006-11-22 Halogen light bulb comprising a carbide-containing filament

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005057084A1 (en)
WO (1) WO2007063008A2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7722421B2 (en) 2006-03-31 2010-05-25 General Electric Company High temperature ceramic composite for selective emission
US7851985B2 (en) 2006-03-31 2010-12-14 General Electric Company Article incorporating a high temperature ceramic composite for selective emission
US8044567B2 (en) 2006-03-31 2011-10-25 General Electric Company Light source incorporating a high temperature ceramic composite and gas phase for selective emission

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3113893A (en) * 1960-10-14 1963-12-10 Sylvania Electric Prod Incandescent filament
GB957597A (en) * 1961-11-29 1964-05-06 Gen Electric Improvements in metallic carbide filament lamps
US3287591A (en) * 1961-12-13 1966-11-22 Sylvania Electric Prod Tantalum carbide incandescent lamp and method of manufacture thereof
GB1144374A (en) * 1965-10-27 1969-03-05 Philips Electronic Associated Improvements relating to electric incandescent lamps
US3441777A (en) * 1966-06-01 1969-04-29 Gen Telephone & Elect Elements for incandescent devices
US3523207A (en) * 1968-01-18 1970-08-04 Westinghouse Electric Corp Incandescent lamp with tantalum carbide filament and nitrogen gas atmosphere
DE10358262A1 (en) * 2003-12-01 2005-09-01 Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH Light bulb with carbon cycle process

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3113893A (en) * 1960-10-14 1963-12-10 Sylvania Electric Prod Incandescent filament
GB957597A (en) * 1961-11-29 1964-05-06 Gen Electric Improvements in metallic carbide filament lamps
US3287591A (en) * 1961-12-13 1966-11-22 Sylvania Electric Prod Tantalum carbide incandescent lamp and method of manufacture thereof
GB1144374A (en) * 1965-10-27 1969-03-05 Philips Electronic Associated Improvements relating to electric incandescent lamps
US3441777A (en) * 1966-06-01 1969-04-29 Gen Telephone & Elect Elements for incandescent devices
US3523207A (en) * 1968-01-18 1970-08-04 Westinghouse Electric Corp Incandescent lamp with tantalum carbide filament and nitrogen gas atmosphere
DE10358262A1 (en) * 2003-12-01 2005-09-01 Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH Light bulb with carbon cycle process

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7722421B2 (en) 2006-03-31 2010-05-25 General Electric Company High temperature ceramic composite for selective emission
US7851985B2 (en) 2006-03-31 2010-12-14 General Electric Company Article incorporating a high temperature ceramic composite for selective emission
US8044567B2 (en) 2006-03-31 2011-10-25 General Electric Company Light source incorporating a high temperature ceramic composite and gas phase for selective emission

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007063008A3 (en) 2007-10-11
DE102005057084A1 (en) 2007-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1805785B1 (en) Incandescent lamp having an illuminant that contains a high-temperature resistant metal compound
EP1594158A2 (en) Incandescent lamp with a luminous body which contains carbides
EP1859474B1 (en) Incandescent halogen lamp
DE10358262A1 (en) Light bulb with carbon cycle process
EP1769526B1 (en) Light bulb containing an illumination body that contains carbide
WO2007063008A2 (en) Halogen light bulb comprising a carbide-containing filament
WO2006060995A2 (en) Light bulb comprising an illumination body, which contains a metal compound that is stable at high temperature
DE1872770U (en) GAS-FILLED ELECTRIC LIGHT BULB.
DE102009057546A1 (en) discharge lamp
EP0239005B1 (en) Incandescent halogen lamp
WO2006007815A1 (en) Light bulb comprising an illumination body that contains carbide
DE102006035792A1 (en) Light bulb for lighting and photo-optical purposes, comprises illumination body that attains specific temperature during operation, where carrier material is coated with two different materials
EP2013896B1 (en) Halogen incandescent lamp having a carbide-containing luminous element
DE3024167C2 (en) Halogen lamp with oxygen getter
DE102006035116A1 (en) Illuminant for an incandescent lamp and method for its production
DE202009013860U1 (en) halogen bulb
EP2052405B1 (en) Starter member for a low-pressure discharge lamp
EP1627418A1 (en) Light source and method for supplying a transport function to a chemical element in a light source
DE1764954C3 (en) Halogen light bulb
DE1539510C3 (en) Process for the production of halogen incandescent lamps with a bromine circuit
DE10356651A1 (en) Incandescent lamp using a carbon cycle comprises a luminescent element which is inserted in a vacuum-tight manner in a bulb along with a filler
DE1589284C3 (en) Method for producing an electric high-pressure discharge lamp
DE2231520A1 (en) METHOD FOR MANUFACTURING AN ELECTRIC LIGHT BULB WITH EXTENDED LIFE AND / OR INCREASED LIGHT YIELD
DE1954236C3 (en) Halogen light bulb
DE202014004977U1 (en) halogen bulb

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06819654

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2