WO2007125075A2 - Halogenglühlampe mit carbidhaltigem leuchtkörper - Google Patents

Halogenglühlampe mit carbidhaltigem leuchtkörper Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a halogen incandescent lamp with carbide-containing luminous element according to the preamble of claim 1. Such lamps are used for general lighting and 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 made of high-melting 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 ER is due to the fact that the filament of metal tallcarbid because of the comparison with the pure metals, much higher melting point can be operated at higher temperatures.
  • melting point of TaC is 3880 0 C compared to 3410 ° C for tungsten addition, compared with tungsten, the emission coefficient of the carbides in the visible rich greater than in the infrared spectral range. That is, tantalum carbide is a better "selective radiator" than tungsten.
  • a problem with the operation of tantalum carbide lamps at high temperatures is the occurrence of early failures by a hotspot mechanism. This is understood to mean the burning at the hottest point in the helix by evaporation of carbon and, after partial decarburization and higher temperatures, also of tantalum from the helix material TaC. This causes increased destructive feedback in hot spot formation because Ta2C has a higher resistance than TaC and also has a lower melting point and higher vapor pressure. There is also a mechanical rejuvenation of the helix in the area of the hotspot.
  • a helix made of tungsten is also known, in which the slope is modulated.
  • a higher luminous flux is achieved while maintaining the breaking strength.
  • the modulation leads to a decrease in temperature in the middle of the luminous element and to an increase in the temperature at the edge of the luminous element. This effect is aimed primarily at flat core filaments, as they are of interest for projection lamps.
  • the object of the present invention is to increase the lifetime of a generic lamp.
  • the invention is based on the idea to increase the lifetime by means of a modulation of the slope of the carbide-containing filament. This is done by targeted prevention of early failures. At the same luminous flux, the lifetime is extended by at least a factor of two, whereas in the case of tungsten luminaires, the modulation is applied in order to achieve more light with the same breaking strength.
  • the modulation allows a more even temperature distribution than without modulation. By smoothing the temperature profile along the helix formation of a hotspot over a much longer period is avoided.
  • the highest axial transport rates occur near the highest temperature gradient at high temperatures -A-
  • the failure mechanism of lamps with luminescent bodies made of a metal carbide shall be briefly discussed.
  • the failure mechanism usually follows, at least in principle, the "hot-spot model" as described for lamps with tungsten filament, eg in H. Horster, E. Kauer, W. Lechner, "On the life of incandescent lamps", Philips techn. Rsch.! 32_, 165-175 (1971/72).
  • a smoothing of the temperature profile along the helix leads to a reduction of the axial transport rates and thus to a slowing down of the formation of the hot
  • the vapor pressure reduction associated with the melting point increase can significantly reduce the evaporation of the TaC or other MeC. It is important that this transformation takes place uniformly over the helix and not locally at one point, since the hotspot failure mechanism outweighs the destructive feedback of a positive melting point increase of about 150 K on the other side.
  • the modulated slope in the carbohydrate mechanism has a positive effect, as it is characterized by the more constant tempera- Rature over the current-carrying helix more uniform carburizing can be achieved.
  • FIG. 1 shows an incandescent lamp with carbide filament according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a wished luminous body for the incandescent lamp according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a bulb 1 which has been squeezed on one side and comprising a bulb made of quartz glass 2, a pinch seal 3, and internal supply leads 6 which connect foils 4 in the pinch seal 3 to a luminous element 7.
  • the filament is a simple coiled, axially arranged TaC wire whose uncoiled ends 14 are continued across the lamp axis.
  • the outer leads 5 are attached to the outside of the foils 4.
  • the inner diameter of the piston is 5 mm.
  • the coil ends 14 are then bent parallel to the lamp axis and form the inner power supply lines 6 as an integral extension.
  • the power supply lines 6 are provided with a coating 8 over at least the part of their entire length which does not become hotter than 2000 ° C. during operation. This consists of a material as shown below.
  • tantalum carbide incandescent of the lamp shown schematically in Figure 1 The consisting of tantalum carbide incandescent of the lamp shown schematically in Figure 1, the basic The design corresponds largely to a low-voltage halogen lamp available on the market, resulting from the carburization of a helix wound from tantalum wire (diameter 125 ⁇ m) (6 windings).
  • xenon is used as the base gas to which hydrogen, nitrogen, hydrocarbon and halogen (J, Br, Cl, F) containing substances are added
  • the lamp has a power consumption of about 40 W when operating at 13 V, wherein the Color temperature is characteristically around 3500 K.
  • the Leuchtkorper 7 is shown in more detail schematically.
  • the slope of the luminous body is different.
  • the pitch factor is significantly larger than at the edge, shown as area A, reference numeral 11.
  • the pitch factor is greater in the center than at the edge.
  • the slope in the middle by a factor of 1.1 to 3 is greater than at the edge. It can increase gradually or continuously.
  • the temperature profile is checked on the basis of a temperature camera and on the geometric measurement of the rejuvenation of the individual windings during the combustion duration time series. It should also be taken into account that after carburizing a volume increase of the metal carbide wire takes place. However, with uniform carburizing over the helix, the relative pitch ratios from outer turns to inner turns do not change.

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Abstract

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 Leuchtkörper ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt, wobei der Leuchtkörper gewendelt ist. Die Steigung der Wendel in der Mitte ist grösser als die an den Enden.

Description

Titel: Halogenglühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen werden für die Allgemeinbeleuchtung und für fotooptische Zwecke verwendet.
Stand der Technik
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.
Eine bekannte Option zur Steigerung der Effizienz von Glühlampen ist die Verwendung von Glühkörpern aus hoch- schmelzenden 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 er- gibt sich aus der Tatsache, dass der Glühkörper aus Me- tallcarbid wegen des, verglichen mit den reinen Metallen, viel höheren Schmelzpunkts bei höherer Temperatur betrieben werden kann: Schmelzpunkt für TaC ist 38800C gegenüber 3410°C für Wolfram. Zudem ist verglichen mit Wolfram der Emissionskoeffizient der Carbide im sichtbaren Be- reich größer als im infraroten Spektralbereich. Das heißt, Tantalkarbid ist ein besserer „Selektivstrahler" als Wolfram.
Ein Problem beim Betrieb von Tantalkarbid-Leuchtkörpern bei hohen Temperaturen ist das Auftreten von Frühausfällen durch einen Hotspot-Mechanismus. Darunter versteht man das Durchbrennen an der heißesten Stelle in der Wendel durch Abdampfen von Kohlenstoff und nach partieller Decarburierung und höheren Temperaturen auch von Tantal vom Wendelmaterial TaC. Dies bewirkt eine verstärkte destruktive Rückkopplung bei der Hot-Spot-Bildung, weil Ta2C einen höheren Widerstand als TaC hat und außerdem einen niedrigeren Schmelzpunkt und einen höheren Dampfdruck hat. Hinzu kommt eine mechanische Verjüngung der Wendel im Bereich des Hotspots.
Aus dem DE-U 83 12 136 ist außerdem eine Wendel aus Wolfram bekannt, bei der die Steigung moduliert ist. Dabei wird ein höherer Lichtstrom unter Beibehaltung der Einschaltfestigkeit erreicht. Die Modulation führt zu einer Temperaturabsenkung in der Mitte des Leuchtkörpers und zu einer Erhöhung der Temperatur am Rand des Leuchtkörpers. Diese Wirkung zielt vor allem auf Flachkernwendeln ab, wie sie für Projektionslampen von Interesse sind. Eine derartige Wirkung ist bei Metallcarbid statt Wolfram nicht angestrebt, da die Metallcarbidwendel (TWendei = ca. 3500 K bei einem Schmelzpunkt von ca. 3900 bis 4150 K, d.h. ΔT ist bis zu 650 K) im Gegensatz zur Wolframwendel bei der Projektionslampe (TWendei = 3400 K bei einem Schmelzpunkt von ca. 3680 K, d.h. ΔT = 280 K) weit unter- halb des Schmelzpunkts des Materials betrieben wird. Bei der Metallkarbidwendel spielt weniger die kurzzeitige Vermeidung einer Annäherung an den Schmelzpunkt eine Rolle, sondern vielmehr eine langfristige Temperaturkonstanz über die Metallcarbidwendel . Da ein Abdampfen von Tantal oder anderem Metall und Kohlenstoff nicht vollständig vermieden werden kann, sollte dieses Abdampfung möglichst gleichmäßig erfolgen. Bei Wendeln mit konstanter Steigung brennen Metallkarbidwendeln stets in der Mitte der Wendel durch, da hier lokal die heißeste Stelle zu finden ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer gattungsgemäßen Lampe die Lebensdauer zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mittels einer Modulation der Steigung des carbidhaltigen Leuchtkörpers die Lebensdauer zu erhöhen. Dies geschieht durch gezielte Vermeidung der Frühausfälle. Dabei wird bei gleichem Lichtstrom die Lebensdauer um mindestens einen Faktor zwei verlängert, dagegen wird bei Leuchtkörpern aus Wolfram die Modulation angewendet um mehr Licht bei gleicher Einschaltfestigkeit zu erzielen.
Die Modulation ermöglicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung als ohne Modulation. Durch die Glättung des Temperaturprofils längs der Wendel wird die Ausbildung eines Hotspots über einen deutlich längeren Zeitraum vermieden. Bei Wendeln mit modulierter Steigung treten die größten axialen Transportraten im Bereich des größten Temperaturgradienten bei hohen Temperaturen nahe des -A-
Wendelendes auf, wo die Wendeln am Lebensdauerende dann auch ausfallen. Der Hotspot tritt sonst immer in der Mitte der Wendel auf.
Dadurch, dass jetzt der Materialabtransport langsamer er- folgt , verlauft auch die destruktive Ruckkopplung langsamer und die Lebensdauer wird entscheidend erhöht. Eine um einen Faktor zwei angehobene Lebensdauer wird als Minimum angesehen.
In diesem Zusammenhang soll kurz auf den Ausfallmechanis- mus von Lampen mit Leuchtkorpern aus einem Metallcarbid eingegangen werden. Der Ausfallmechanismus folgt meist zumindest prinzipiell dem „Hot-Spot-Modell" wie für Lampen mit Wolfram-Wendel beschrieben z.B. in H. Horster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Phi- lips techn. Rdsch. !32_, 165-175 (1971/72) . Bedingt durch eine kleine „Störung" entlang des Leuchtkorperdrahtes, z.B. durch einen erhöhten Leistungseintrag an einer Korngrenze, einer geringen lokalen Änderung der Materialdaten, einer lokal begrenzten Verringerung des Drahtdurch- messers, 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- hohung der Temperatur bewirkt, dass von dieser Stelle verstärkt Material abdampft und diese Stelle somit bevorzugt gegenüber der Umgebung verjungt wird, wodurch der Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Da die Erhöhung des Widerstands auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, an- dert sich dadurch der Gesamtwiderstand des Leuchtkorpers praktisch nicht oder wird lediglich um einen erheblich geringeren Bruchteil erhöht als der Widerstand an der betrachteten Stelle. An der eng begrenzten Stelle mit leicht erhöhtem Widerstand erfolgt ein erhöhter Leistungseintrag, weil derselbe bzw. nur vergleichsweise ge- ringfügig erniedrigte Strom durch diese jetzt einen erhöhten 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- düng einer dünnen Stelle von selbst und führt schließlich zum Durchbrennen des Leuchtdrahtes an dieser Stelle. Bei Lampen aus Metallcarbiden wie Tantalcarbid kommt als weiterer 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 Tantalcarbid noch schneller aufschaukelt als bei solchen aus Wolfram.
Eine Glättung des Temperaturprofils längs der Wendel führt zu einer Verringerung der axialen Transportraten und damit zu einer Verlangsamung der Ausbildung des Hot
Spots. D.h. kommt es jetzt durch einen der beschriebenen
Effekte zur Ausbildung einer heißesten Stelle, so dauert es durch den verlangsamten Materialabtransport länger, bis der Wendel dort durchbrennt. Eine Glättung des Temperaturprofils durch Verwendung von Wendeln mit modulierter Steigung lässt sich gut mit dem Gebrauch von partiell decarburierten Leuchtkörpern im Sinne von DE-Az 10 2005 057084.4 (noch nicht veröffent- licht) koppeln. Da der partiell entkohlte Leuchtkörper bereits insgesamt einen gegenüber voll aufgekohltem Me- tallcarbid 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. partiell entkohlten Metallcarbid MeCx mit x < 0,95 die maximal mögliche Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands bei der Bildung einer hei- ßen Stelle kleiner als bei vollständig aufcarburiertem Metallcarbid. Die durch die Zunahme des spezifischen e- lektrischen Widerstands bei der Entcarburierung einer gegenüber der Umgebung heißeren Stelle bedingte Beschleunigung der Hot-Spot-Bildung ist somit bei dem partiell auf- gekohltem bzw. unvollständig aufgekohltem Metallcarbid geringer .
Durch die mit der Schmelzpunkterhöhung verbundene Dampfdruckreduzierung kann die Abdampfung des TaC oder anderen MeC deutlich reduziert werden. Wichtig ist, dass diese Umwandlung gleichmäßig über die Wendel erfolgt und nicht lokal an einer Stelle, da der Ausfallmechanismus Hotspot über die destruktive Rückkopplung einer auf der anderen Seite positiven Schmelzpunkterhöhung um ca. 150 K überwiegt .
Positiv wirkt sich die modulierte Steigung beim Aufkoh- lungsmechanismus aus, indem durch die konstantere Tempe- ratur über die stromdurchflossene Wendel eine gleichmäßigere Aufkohlung erzielt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel; Figur 2 ein gewedelter Leuchtkörper für die Glühlampe gemäß Figur 1.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben aus Quarzglas 2, einer Quetschung 3, und innere Stromzuführungen 6, die Folien 4 in der Quetschung 3 mit einem Leuchtkörper 7 verbinden. Der Leuchtkörper ist ein einfach gewendelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen ungewendelte Enden 14 quer zur Lampenachse weitergeführt sind. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 5 mm. Die Wendelenden 14 sind anschließend parallel zur Lampenachse abgebogen und bilden dort die inneren Stromzuführungen 6 als integrale Verlängerung. Die Stromzuführungen 6 sind mindestens über den Teil ihrer gesamten Länge, der im Betrieb nicht heißer als 2000 °C wird, mit einer Beschichtung 8 versehen. Diese besteht aus einem Material wie nachfolgend dargestellt.
Die aus Tantalcarbid bestehende Glühwendel der schematisch in Figur 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weitgehend einer auf dem Markt erhaltlichen Nie- dervolt-Halogengluhlampe entspricht, ist durch Carburie- rung einer aus Tantaldraht (Durchmessers 125 μm) gewickelten Wendel (6 Windungen) entstanden. Bei Verwendung von Xenon als Grundgas, zu dem noch Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoff und Halogen (J, Br, Cl, F) enthaltende Substanzen beigefugt werden, weist die Lampe bei Betrieb an 13 V eine Leistungsaufnahme von ca. 40 W auf, wobei die Farbtemperatur charakteristischerweise um 3500 K liegt.
In Figur 2 ist schematisch der Leuchtkorper 7 genauer dargestellt. Die Steigung des Leuchtkorpers ist unterschiedlich. In der Mitte, dargestellt als Bereich M, Bezugsziffer 10, ist der Steigungsfaktor deutlich großer als am Rand, dargestellt jeweils als Bereich A, Bezugsziffer 11. Anders ausgedruckt ist der Steigungsfaktor in der Mitte großer als am Rand. Bevorzugt ist die Steigung in der Mitte um einen Faktor 1,1 bis 3 großer als am Rand. Sie kann schrittweise oder kontinuierlich anstei- gen. Eine Überprüfung des Temperaturprofils erfolgt zum einem über eine Temperaturkamera und zum anderen über die geometrische Vermessung der Verjüngung der einzelnen Windungen wahrend der Brenndauerzeitreihe. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass nach der Aufkohlung eine Volumenzu- nähme des Metallcarbiddrahtes stattfindet. Bei einer gleichmaßigen Aufkohlung über die Wendel andern sich jedoch die relativen Steigungsverhaltnisse von äußeren Windungen zu inneren Windungen nicht.

Claims

Ansprüche
1. Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper und mit Stromzuführungen, die den Leuchtkörper haltern, wobei ein gewendelter Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben vakuumdicht eingebracht ist, wo- bei der Leuchtkörper ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt, da- durch gekennzeichnet, dass die Wendelsteigung an den Enden des Leuchtkörpers kleiner als in der Mitte ist.
2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungsfaktor um einen Faktor 1,1 bis 3 vom Ende zur Mitte hin zunimmt.
3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Tantalcarbid, Hafniumcarbid oder Zirkoncarbid besteht.
4. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus einer Legierung verschiedener Metallcarbide besteht.
5. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung sich stufenweise oder kontinuier- lieh ändert.
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