WO2008012277A2 - Leuchtkörper für eine glühlampe und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2008012277A2
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Matthias Damm
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    • 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 luminous element according to the preamble of claim 1.
  • Such luminous bodies are used for general lighting and for photo-optical purposes. Furthermore, an associated production method is described.
  • the life of lamps, in which the light generation is based on the principle of the glow emission, is usually determined by the evaporation or decomposition of the filament material.
  • tungsten incandescent lamps ie incandescent or halogen incandescent lamps
  • the life of tungsten incandescent lamps is usually determined by the volatilization of tungsten.
  • failure mechanisms such as Wendendenden corrosion by chemical attack of a halogen additive to the colder Wendelende, melting the coil after the formation of an arc, failure of the helix by sliding grain boundaries, etc .
  • these mechanisms usually play only with individual lamp types ( For example, arcing is the primary cause of failure in some particularly highly loaded types of lamp) or faulty lamps (eg lamps with an increased level of oxygen contamination).
  • Most incandescent bulbs are designed or operated so that the end of life ultimately determined by the tungsten evaporation. The evaporated tungsten is transported in the direction of the bulb wall.
  • Lamps with tantalum carbide luminaires have the advantage that they can be operated at temperatures that are about 500 K higher than lamps with tungsten luminous bodies.
  • rapid decomposition of the tantalum carbide occurs as shown in 2 TaC ⁇ -> Ta 2 C ⁇ s> + C ⁇ g>, resulting in the brittle tantalum carbide melting at lower temperatures, cf. eg Becker / Ewest.
  • Zeitschrift fürtician fürtician Physik, No. 6, pp. 216 p. (1930) The gaseous carbon produced in this decarburization reaction is transported in the direction of the bulb wall.
  • the evaporating from the tungsten filament connects at lower temperatures near the bulb wall to WoIf- ramhalogeniden which are volatile at temperatures above about 200 0 C and not be deposited on the bulb wall. This prevents a tungsten failure on the bulb wall.
  • the tungsten halide compounds are transported back by diffusion and possibly also convection to the hot filament, where they decompose. The freed tungsten is again attached to the filament.
  • the gaseous carbon formed upon decomposition of the TaC is transported towards the bulb wall, where it reacts with hydrogen to form hydrocarbons such as methane. These hydrocarbons are transported back to the hot luminescent body, where they decompose again. The carbon is released again and can attach to the luminous body, cf. e.g. U.S. Pat. No. 2,596,469, U.S. Pat. No. 3,022,438.
  • the evaporation of a material from the luminous element - for example, the evaporation of tungsten in a lamp with a filament of tungsten or the evaporation of carbon from a lamp with a filament of metal carbide - is not homogeneous over the entire luminous body. Rather, there are localized areas at which an increased evaporation takes place and where the luminous body finally fails.
  • the failure mechanism can be described at least in principle with the "hot spot model", as shown for lamps with tungsten filament, for example in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, "On the life of incandescent lamps", Philips techn. -A-
  • the temperature is further increased, which in turn accelerates the rejuvenation of this site from the environment, etc.
  • the formation of a thin spot accelerates by itself and finally leads to the burning of the light wire at this point.
  • the subcarbide Ta2C formed during the carbon evaporation has a specific electrical conductivity which is higher by a factor of more than 3. has resistance as TaC, cf. eg S, Okoli, R. Haubner, B.
  • an application of the fluorine is the chemical reactivity of fluorine or fluorine-containing compounds in the way;
  • fluorine reacts on the piston wall made of glass to form SiF 4 and is thus removed from the cyclic process. Protection of the glass bulb - eg by coating with AlF 3 , Al 2 O 3 (which forms a passivating AlF 3 layer by reaction with fluorine) - or the use against fluorine-inert materials is therefore necessary.
  • a smoothing of the temperature profile of the helix by modulation of the spiral pitch at constant wire diameter as described for example in DE-U 83 12 136 also contributes to increase the life.
  • the temperature profile along the helix can also be influenced by assembling helixes with different properties in accordance with DD 247 769 A1.
  • the following observation is based on the observation that in lamps in which the light emission is based on the principle of glow emission, it comes in lamp operation to form a temperature profile along the luminous body. There is heat dissipation via the power supply leads, which results in the temperatures at locations near the power supply lines is significantly lower than those in the middle between the power supply lines.
  • the radiation transport within the coil plays an important role. It is the one turn of the Wendel inwardly emitted radiation from the inner sides of other turns at least partially absorbed. The unabsorbed part of the radiation is reflected.
  • the location of highest temperature is thus usually close to the middle of the helix, while the temperatures near the helix ends are significantly lower.
  • the thicker or shorter the light wire the steeper is usually the temperature profile along the helix, ie, the greater the temperature differences between the helical center and the coil ends.
  • the temperature profile along the helix has an important influence on the transport rates. In this context, it has proved useful to distinguish between radial and axial transport rates, as described, for example, in H. Horster, E. Kauer, W. Lechner, "On the Service Life of Incandescent Lamps", Philips Technischer Rdsch.
  • the radial transport describes the transport of the material evaporating from the filament in the direction of the bulb wall. speed of the material from the lamp. If, as in most cases in practice, one can assume that the equilibrium vapor pressure is established on the surface of the luminous body, then the transport rate for the radial transport is proportional to the equilibrium vapor pressure at the surface of the filament.
  • the rate of axial transport is proportional to the gradient of the rates of evaporation of the material along the axis of the helix, or in the above-described generally useful approximation to the gradient of the equilibrium pressures along the helical axis. The steeper the temperature profile along the spiral axis, the larger the gradient for the equilibrium pressures; and the larger are the rates for axial transport.
  • the wire thickness By modulating the wire thickness, it is possible to achieve a leveling of the temperature profile along the helix. For explanation, therefore, first the influence of the wire diameter on the wire temperature is considered. If, for example, a slight thickening of the wire in the center of the coil is achieved, then the temperature in the center of the luminous element is initially lowered as a constant current, due essentially to the reduced power input at this point due to the lower electrical resistance, but also by other effects such as more cooling by a larger radiating surface. The vice applies to a reduction in wire diameter. So if you want to smooth the temperature profile along the spiral axis, so you have to enter less power in the middle of the coil or dissipate more power than at the coil ends.
  • the overall goal of the overall wire thickness modulation is to minimize the maximum lifetime of the lamp from the sum of axial and radial transport. In this sense, a completely homogeneous over the luminous body and at the helical ends steeply sloping temperature distribution is not ideal. Although the axial transport in the coil would then be zero, at the coil ends one obtains a very strong transport along the power supply lines, to which the still very strong radial transport is superimposed. The helix then falls off quickly at the coil ends or power supply lines. It is better to design the temperature drop at high temperatures in the winding so that the sum of radial and axial transport does not change as much as possible. In general, in such a case, the axial
  • One way to vary the cross section of the light wire in the desired manner is in the vicinity of the filament near the power supply material remove by electrolytic removal as described in DD 217 084 Al.
  • the object of the present invention is to increase the life of a generic luminous body and to provide a method for its production.
  • An essential feature of the invention is to vary the cross section of the luminous element by a deposition or Abtragsvon, which is usually continuous, resulting in significant advantages over the described in DD 217 084 Al electrolytic Abtragsvon as well compared to the Philips techn. Rl. 3_5, 354-355 (1975/76), as will be discussed in more detail below.
  • the helix is brought into such a temperature range by applying a suitable voltage that the chemical compound transporting the helical material almost completely decomposes at the highest temperatures near the middle of the helix.
  • the increased deposition in the center of the lamp causes the luminaire temperature to cool more strongly there than at the locations near the filament ends, which in turn causes the difference in deposition rates to decrease as the temperature difference between the center of the filament and the filament ends decreases.
  • the system thus operates in a self-regulating manner, ie the difference in the deposition rates between the center of the coil and the coil ends causes the temperature profile to flatten, which in turn leads to a reduction in the difference between the deposition rates.
  • the difference of the deposition rates along the helix disappears in Ideally, only when the temperature differences between the helical ends and the middle of the helix are completely balanced. After complete adjustment thus the deposition rates along the filament are the same size.
  • This temperature controlled deposition of filament material to modulate wire thickness may be considered as a partial reaction of a regenerative cycle, because the deposition is preferably at higher temperature sites.
  • the filament is brought into such a temperature range, which is generally not suitable for generating light, in which the deposition rates change along the filament.
  • the modulation described is carried out during the manufacture of the lamp; For this purpose, the helix - which is possibly already fixed in a stem lamp - operated in a gas stream.
  • the modulation can also be applied to the finished crumpled spiral before their fixation in a glass flask.
  • suitable wire thickness profiles can be set within a few minutes, see the embodiment described below.
  • the helix must be operated in such a temperature range that the deposition rates change significantly over the temperatures occurring along the helix.
  • the suitable temperature range is largely determined by the chemistry of the chemical reaction system used. It is best to use for leveling the helical temperature profile along the helix such a chemical reaction system for which the temperature during Ab- divorce as much as possible during lamp operation corresponds. Due to the different weight of individual terms in the energy balance, the spiral temperature profiles for various applied voltages or, thus, different maximum coil temperatures can not be converted into one another by a simple linear transformation.
  • the wire thickness increases at each location - albeit to varying degrees - so lowering the temperature with increasing deposition time. Since the speed of the deposition reaction decreases with decreasing temperature or in a relatively cold area practically no deposition takes place, it is recommended to keep the filament by readjustment (increase) of the voltage in such a temperature range, the "control range This readjustment of the voltage is optimally controlled by a measurement of the temperature of the filament, as well as a power-controlled readjustment.With constant filament temperature, the power consumption increases with increasing wire thickness, it is advisable in this case, by short-term shutdown To measure the voltage applied to the change in wire diameter due to the change in the cold resistance and then adjust the power accordingly.
  • the described leveling of the temperature profile along the helix has a favorable effect in two respects the reduction of material transport.
  • the maximum temperature in the center of the coil is slightly lower than in the case of the filament having a constant wire thickness, which has a favorable effect in terms of reducing the maximum radial transport.
  • the occurring maximum material removal which has a favorable effect in terms of extending the life.
  • the process complementary thereto namely the temperature-controlled removal of filament material, can also be used to produce a luminous body with a modulated diameter.
  • An example is the chemical transport reaction
  • Me is a metallic luminescent material (e.g., tungsten) and X is a transport (e.g., a halogen).
  • a transport e.g., a halogen
  • the reaction of the transport means X with the filament material Me is used to produce a filament of modulated diameter. If eg at low temperature a consisting of the filament material Me and the transport X precursor in the deposition reaction only slightly decomposes and thus the chemical equilibrium on the side of Precursormate- rials, it follows, conversely, that upon transfer of pure transport over a surface of the filament material relative much luminous material is removed. In summary, it follows:
  • Deposition reaction Strong deposition because the precursor MeX n ⁇ g> is largely decomposed.
  • Transport X is hardly attacked.
  • both the deposition and the Abtragsre force - we obtain filaments whose diameter is lower in the end than in the middle of the helix, which leads to a smoothing of the temperature profile along the helix.
  • the diameter of the filament increases in the middle; in the case of the ablation reaction, it shrinks at the ends.
  • the system works self-regulating, ie the chemical processes act in the direction of a smoothing of the temperature profile.
  • the suitable temperature ranges for the deposition and erosion reaction need not necessarily coincide.
  • removal reactions there is the advantage that the removal usually takes place relatively uniformly; at least for non-recrystallized filament material. With recrystallized material, the removal at the same temperatures for different crystal surfaces or at grain boundaries can take place at different speeds compared to the crystal surfaces.
  • unfavorable boundary conditions may lead to growth of crystallites instead of uniform deposition. If, at high concentrations of the precursor, nucleation already occurs in the gas phase, it is usual to observe the deposition of sponge-like crystallites on the surface, which, however, can sometimes be converted into a more homogeneous coating even at high temperatures.
  • a preferred method for producing a homogeneous coating is to first of all apply a high germ density of the coating material to the coating material. surface to produce.
  • the actual coating process is preceded by a seeding step, which is carried out in a different temperature range than the actual coating process - usually at a lower temperature.
  • the use of not yet recrystallized wire with fiber structure resulting from the drawing process is to be preferred, because in the case of already recrystallized wire, defined directions of crystal growth exist through the individual crystal surfaces.
  • deposition reactions by the use of suitable precursors are easier to control than removal reactions.
  • n X ⁇ g> MeX n ⁇ g> suitable for modulating a luminous body by deposition or removal reactions. It is also possible to use more complex reactions, such as the reduction of a precursor MeX n ⁇ g> by a reducing agent Y ⁇ g> to Me ⁇ s> and a compound YX ⁇ g>, if (a) a suitable temperature dependence of the chemical Reaction rate is present and (b) suitable conditions are found under which a uniform deposition and no crystal growth takes place.
  • the basis for carrying out the modulation of the wire thickness are the well-known reverse reactions of the halogen cycle.
  • a lamp with a filament made of tungsten ie the ready-built, but not yet fused lamp with pump stems - is flowed through by a mixture of an inert gas and tungsten hexafluoride.
  • the modulation can also be made outside the bulb at the helix by contacting it and by flowing around said gas mixture.
  • the operating voltage is selected so that the maximum winding temperature is approx. 2700 K. It then comes to an increased deposition of tungsten in the middle of the coil and thus to a modulation of the wire thickness.
  • a modulation of the wire thickness can also be achieved by the decomposition of tungsten Chlorides, bromides, iodides or tungsten oxifluorides, - oxichlorides, -oxibromiden and -oxiiodiden perform. Due to unavoidable residual traces of oxygen, the tungsten oxyhalides will always be present at least in traces, even if pure tungsten halides are used as precursor. If, for example, tungsten bromides are used, however, one must operate the helix in a temperature range typically below 1700 K.
  • the wire thickness is modulated in such a way that a flat temperature profile is established at operating temperatures below or below 1700 K, then the temperature profile operating with this coil at 3000 K is no longer as flat as that at an operating temperature due to the increasing influence of the radiation 1700 K.
  • an incandescent body consisting of tungsten can also be transferred to luminous bodies made of other refractory metals such as tantalum, osmium, rhenium, etc., or alloys of these metals.
  • luminous bodies made of other refractory metals such as tantalum, osmium, rhenium, etc., or alloys of these metals.
  • Tungsten hexafluoride is reduced to tungsten by hydrogen to form HF.
  • the chemical reaction can be through
  • a modulation of the thickness of the fiber can be achieved analogously by passing the luminous body at temperatures in the range between 2800 K and 3500 K, preferably between 3000 K and 3500 K, in a mixture of an inert gas (eg a noble gas) and carbon tetrafluoride CF 4 operates.
  • an inert gas eg a noble gas
  • carbon tetrafluoride CF 4 e.g., carbon tetrafluoride
  • Other carbon-halogen or even carbon-hydrogen compounds decompose even at temperatures well below 1000 K. Modulation using these systems is possible, but because of the far below the operating temperature deposition temperatures but less advantageous.
  • For the chemistry of the carbon-halogen or carbon-hydrogen systems see eg "carbon filament lamps with a chemical transport cycle", Philips Techn.
  • Luminaires made of metal carbides, nitrides or borides or alloys of these compounds are usually prepared by carburizing, nitriding or boriding of the luminous bodies from the respective starting metals, because as Ceramics considered metal carbides, nitrides or borides are too brittle to be easily processed. This makes it possible to modulate the diameter of the luminous bodies from the respective starting metals, and then carry out the carburizing or nitriding or boriding in the next process step.
  • the following is an example of a lamp from a filament of tantalum carbide considered. Here you can wind the filament first of tantalum.
  • the tantalum coil to be modulated is operated at temperatures between 2800 K and 3200 K in a stream of an inert gas and tantalum fluoride, a filament of tantalum with modulated wire thickness is obtained in which the wire diameter in the middle is greater than near the coil ends , Subsequently, the helix of tantalum is converted by carburization in an atmosphere of an inert gas and a hydrocarbon in tantalum carbide, cf. eg S. Okoli, R. Haubner, B. Lux, Surface and Coatings Technology 47 (1991), 585-599, and G. Hörz, Metal 27, (1973), 680.
  • the modulation of the wire thickness remains obtained, ie, the relative variations in the diameter of the helix of tantalum is exactly on the helix of tantalum carbide from.
  • tantalum carbide can be deposited directly on tantalum carbide filaments.
  • the basic properties of this process are described, for example, in WJ Heffernan, I. Ahmad, RW Haskeil, Benet Weapons Laboratory, Watervliet, NY, USA, "A continuous CVD process for coating filaments with tantalum carbide", Chem. Vap.
  • the modulation of the wire thickness is carried out for such a period of time to which one has achieved such a modulation of the radii as in lamp operation leads to an optimal or near optimal temperature profile, see above. If the time duration of the deposition or removal process is too short, the modulation is insufficient and the luminous element usually burns out near the center. If the duration of the deposition or Abtragsvones too long, it is true that relatively homogeneous temperature distributions in the coil, but it comes to a very strong material removal at the coil ends at the beginning of the rugged temperature drop. If the deposition times are too long, there is a risk of winding short-circuiting or electrical breakdown in the case of small-pitched coils.
  • the embodiments described here are not limited to helical shaped filaments made of wires. They are applicable to virtually all luminaires in which the generation of light is based on the principle of the generation of temperature radiation.
  • filaments of other geometry are stretched or entangled tapes, planar slotted metal foils with meandering line gradient or rectangular line cross-section, spiral shaped luminaires, etc.
  • the options described here for smoothing the temperature profile along the helix can be combined with other measures, such as the use of a helix with modulated pitch.
  • the procedure described here offers significant advantages over the e-lektrolytician removal of coils described in DD 217 084 Al.
  • a self-regulating system is used here, i. the temperature itself controls the removal and deposition processes.
  • chemical deposition and removal reactions can be realized much more easily than wet-chemical processes as described in DD 217 084 A1.
  • the electrolytic removal is limited to luminous bodies of selected metallic materials and can not be applied to luminous bodies made of ceramics (for example metal carbides).
  • the methods described here also offer significant advantages over the procedure described in J. Schröder, "Profiling of tungsten filaments in incandescent bulbs by chemical transport reactions", Philips Techn.Rich.335, 354-355 (1975/76)
  • Philips techn. Rsch. 3_5, 354-355 (1975/76) the filament material is not rearranged from colder to hotter areas, but either deposited exclusively from the outside supplied filament material or removed only filament material and removed in the form of volatile gaseous compounds
  • externally supplied filament material is deposited or filament material removed and completely removed while in Philips techn. Rsch. 3_5, 354-355 (1975/76) only the pure means of transport (eg a halogen) is supplied and the filament material is rearranged.
  • the procedure described here offers over the pure rearrangement of filament material as in Philips techn. Rsch. 35, 354-355 (1975/76) described the following advantages:
  • the material removed at a colder point is preferably deposited at the directly adjacent hotter places where the molar material carrying the filament material is deposited.
  • the decomposition takes place while less material is being deposited at further points of the same high temperature because only "fewer molecules carrying the material arrive.”
  • material is separated or carried by operation of the coil in a stream of a suitable precursor material one luminous body material, so you get to a higher degree smoothed temperature profiles.
  • reaction conditions are much easier to optimize for achieving uniform diameter variation, e.g. by the preconnection of suitable nucleation steps in deposits and by the choice of suitable
  • concentration of the material to be deposited in the deposition process is largely determined, for example, by the chemical reaction system; the partial pressure of the compound bearing the material to be deposited can be influenced essentially only by the concentration of the means of transport. ,
  • FIG. 1 shows an incandescent lamp with carbide filament according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a coiled luminous element for the incandescent lamp according to FIG.
  • Figure 3 is a diagram showing the change of the radius of
  • Illuminant as a function of the distance from the
  • FIG. 4 shows a comparison of the temperature on the luminous element during the deposition as a function of the distance from the middle of the filament;
  • FIG. 5 shows a comparison of the temperature at the luminous element during operation as a function of the distance from the middle of the filament.
  • FIG. 1 shows a bulb 1 which has been squeezed on one side and comprising a bulb 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 can also be separate parts.
  • the filament consisting of tantalum carbide of the lamp shown schematically in FIG. 1, the basic design of which largely corresponds to a low-voltage halogen incandescent lamp available on the market, is produced by carburizing tion of a tantalum wire (diameter 135 microns) wound coil (12 turns, pitch factor 2.24, core factor 5.6) emerged. The length of an outlet is 10 mm. During carburization, the wire diameter increases to 146 ⁇ m. When 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 45 W when operating at 14 V, wherein the Color temperature is characteristically around 3300 K.
  • FIG. 2 schematically shows the luminous body 7 in more detail after the modulation of the wire cross section has been carried out by the deposition process described below.
  • the diameter of the wire of the filament is different. In the middle, the diameter d2 is significantly larger than at the edge, where the diameter is indicated by dl.
  • FIG. 3 shows the profile of the radius of the helical wire after a one-minute deposition according to the reaction equation
  • FIG. 4 shows a comparison of the temperature used in the deposition between a coiled filament of varying wire thickness (curve 1) and a similar filament of constant wire thickness (curve 2) for the embodiment described here.
  • the coiled filaments are in a typical temperature range suitable for depositing TaC.
  • the operating voltage has been adjusted so that the temperatures in the middle of the lamp match.
  • FIG. 5 shows a comparison of the temperature during operation between a coiled filament with changing wire thickness (curve 1) and a similar filament with constant wire thickness (curve 2) for the exemplary embodiment.
  • curve 1 a coiled filament with changing wire thickness
  • curve 2 a similar filament with constant wire thickness
  • the filament outlets as in the embodiment in FIG. 1 are made integral with the filament of a continuous wire, and a deposition method is selected for the modulation of the wire thickness, it may happen that the magnification of the filament diameter in the region of the frozen ice does not increase and thus significantly thinner wire sections are relatively heavily loaded at the filament outlets near the pinch when switching.
  • the use of coating coils as in DE - Az 10 offers 2004 014 211.4 to increase the breaking strength.
  • a modulation of the diameter of the filament can also be done by a laser ablation.
  • a modulation of the wire diameter can also be done by applying material by sputtering processes or by electrolytic deposition (in contrast to electrolytic removal as described in DD 217 084 Al).
  • these and other processes are technically more difficult to control because they do not work self-regulating.
  • the distance of the meandering slots can be varied.

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Abstract

Leuchtkörper für eine Glühlampe und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leuchtkörpers Es wird ein Draht für einen Leuchtkörper verwendet, dessen Durchmesser von außen nach innen hin zunimmt. Das Herstellverfahren basiert entweder auf einem Abscheideverfahren oder einem Abtragungsverfahren.

Description

Titel : Leuchtkörper für eine Glühlampe und Verfahren zu seiner Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Leuchtkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Leuchtkörper werden für die Allgemeinbeleuchtung und für fotooptische Zwecke verwendet. Des weiteren wird ein zugehöriges Her- stellverfahren beschrieben.
Stand der Technik
Die Lebensdauer von Lampen, bei welchen die Lichterzeugung auf dem Prinzip der Glühemission beruht, wird meist durch die Verdampfung bzw. Zersetzung des Leuchtkörpermaterials bestimmt.
So wird die Lebensdauer von Lampen mit Glühkörpern aus Wolfram (d.h. Glühlampen bzw. Halogenglühlampen) meist durch die Verdampfung des Wolframs bestimmt. Daneben gibt es noch eine große Anzahl weiterer Ausfallmechanismen, z.B. Wendelendenkorrosion durch chemischen Angriff eines Halogenzusatzes auf das kältere Wendelende, Durchschmelzen der Wendel nach Entstehung eines Lichtbogens, Versagen der Wendel durch abgleitende Korngrenzen, usw.. Diese Mechanismen spielen jedoch meist nur bei einzelnen Lampentypen (z.B. ist die Lichtbogenbildung bei einigen be- sonders hochbelasteten Lampentypen die primäre Ausfallursache) bzw. bei fehlerhaften Lampen (z.B. Lampen mit einem erhöhten Verunreinigungspegel an Sauerstoff) eine Rolle. Die meisten Glühlampen sind so ausgelegt bzw. werden so betrieben, dass das Lebensdauerende letztendlich durch die Wolframverdampfung bestimmt wird. Das abgedampfte Wolfram wird in Richtung der Kolbenwand transportiert .
Ähnlich verhält sich die Situation bei Lampen mit Leucht- körpern aus Metallcarbid. Lampen mit Leuchtkörpern aus Tantalcarbid haben den Vorteil, dass sie bei um ca. 500 K höheren Temperaturen betrieben werden können als Lampen mit Leuchtkörpern aus Wolfram. Allerdings kommt es bei höheren Temperaturen zu einer raschen Zersetzung des Tan- talcarbids gemäß 2 TaC <s> -> Ta2C <s>+ C <g>, wobei das spröde und bei niedrigeren Temperaturen schmelzende Tan- talsubcarbid entsteht, vgl. z.B. Becker / Ewest. „Die physikalischen und strahlungstechnischen Eigenschaften des Tantalcarbids", Zeitschrift für technische Physik, Nr. 6, S.216 f. (1930). Der bei dieser Decarburierungs- reaktion entstehende gasförmige Kohlenstoff wird in Richtung der Kolbenwand transportiert.
Um die Abscheidung der vom Leuchtkörper abgedampften Materialien - d.h. z.B. von Wolfram bei Lampen mit einem Glühkörper aus Wolfram und Kohlenstoff bei Lampen mit einem Glühkörper aus Kohlenstoff oder Metallcarbiden - an der Kolbenwand zu vermeiden, bedient man sich sogenannter Kreisprozesse. Als Beispiele seien genannt:
(a) Wolfram-Halogen-Kreisprozess
Das vom Leuchtkörper abdampfende Wolfram verbindet sich bei niedrigeren Temperaturen nahe der Kolbenwand zu WoIf- ramhalogeniden, welche bei Temperaturen oberhalb ca. 2000C flüchtig sind und sich nicht an der Kolbenwand abscheiden. Dadurch wird ein Ausfall von Wolfram an der Kolbenwand verhindert. Die Wolframhalogenidverbindungen werden durch Diffusion und ggf. auch Konvektion zum heißen Leuchtkörper zurücktransportiert, wo sie sich zersetzen. Das dabei frei gewordene Wolfram wird wieder an den Leuchtkörper angelagert. Zum Halogenkreisprozess in HaIo- genlampen mit einem Glühkörper aus Wolfram existiert eine umfangreiche Literatur. Zu Eigenschaften diverser Halogenkreisprozesse in Halogenlampen siehe z.B. „Optische Strahlungsquellen", Kapitel 4 „Halogen-Glühlampen", Lexika Verlag, 1977 und die darin zitierte Literatur.
(b) Kohlenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess bei TaC Lampen
Der bei Zersetzung des TaC entstehende gasförmige Kohlenstoff wird in Richtung der Kolbenwand transportiert, wo er mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen wie Methan reagiert. Diese Kohlenwasserstoffe werden zum heißen Leucht- körper zurück transportiert, wo sie sich wieder zersetzen. Der Kohlenstoff wird dabei wieder freigesetzt und kann sich an den Leuchtkörper anlagern, vgl. z.B. US-A 2 596 469, US-A 3 022 438.
Die Verdampfung eines Materials von Leuchtkörper - also z.B. die Abdampfung von Wolfram bei einer Lampe mit einem Leuchtkörper aus Wolfram bzw. die Abdampfung von Kohlenstoff von einer Lampe mit einem Leuchtkörper aus Metall- carbid - erfolgt nicht homogen über den gesamten Leuchtkörper. Es entstehen vielmehr lokal begrenzte Stellen, an denen eine erhöhte Abdampfung erfolgt und an denen der Leuchtkörper schließlich auch ausfällt. Der Ausfallmechanismus lässt sich zumindest prinzipiell mit dem „Hot- Spot-Modell" beschreiben, wie für Lampen mit Wolfram- Wendel dargestellt z.B. in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Philips techn. -A-
Rdsch. ^32_, 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 Materialdaten, 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 Begren- zung auf max . 2 Windungen) . Die lokale Erhöhung der Temperatur bewirkt, dass von dieser Stelle verstärkt Material abdampft und diese Stelle somit bevorzugt gegenüber der Umgebung verjüngt wird, wodurch der Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Da die Erhöhung des Widerstands auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, ändert sich dadurch der Gesamtwiderstand des Leuchtkörpers praktisch nicht oder wird lediglich um einen erheblich geringeren Bruchteil erhöht als der Widerstand an der betrachteten Stelle. An der eng begrenzten Stelle mit erhöhtem Wider- stand erfolgt ein erhöhter Leistungseintrag, weil derselbe bzw. nur vergleichsweise geringfügig 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 Ausbildung 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 Subcarbid Ta2C einen um einen Faktor von mehr als 3 höheren spezifischen elektri- schen Widerstand aufweist als TaC, vgl. z.B. S, Okoli, R. Haubner, B. Lux, „Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition", Surfa- ce and Coatings Technology, AJ. (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 Möglichkeit zur Vermeidung bzw. Zurückdrängung des oben beschriebenen Fehlermechanismus besteht nun darin, das vom Leuchtkörper abgedampfte Material durch Verwendung geeigneter Kreisprozesse gezielt zur heißesten Stelle am Leuchtkörper zurück zu transportieren; man spricht dann von sogenannten „regenerativen Kreisprozessen".
Die heute in Halogenlampen mit Glühwendel aus Wolfram eingesetzten Kreisprozesse , welche Brom oder Jod als aktive Halogenkomponenten entfalten, sind nicht regenerativ, weil sich Wolfram-Brom bzw. Wolfram-Jod-Verbindungen bereits bei Temperaturen weit unter 2000 K zersetzten. Das Wolfram wird somit meist bereits an Stellen niederer Temperatur abgelagert bzw. unspezifisch am Leuchtkörper abgeschieden; in jedem Fall nicht selektiv zu den Orten höchster Temperatur zurück transportiert. Damit hat der Kreisprozess keinen die Lebensdauer verlängernden Effekt. Zur Erreichung eines regenerativen Kreisprozesses benö- tigt man chemische Reaktionssysteme, bei denen im fraglichen Temperaturbereich meist oberhalb 2800 K die Zunahme der Abdampfungsgeschwindigkeit des Wolframs mit steigender Temperatur durch die Zunahme der Abscheidungsge- schwindigkeit von Wolfram nach der Zersetzung von WoIf- ramverbindungen kompensiert bzw. leicht überkompensiert wird. Für Lampen mit Glühwendeln aus Wolfram stellt das System Wolfram-Fluor ein geeignetes chemisches Reaktionssystem dar, vgl. z.B. Schröder, PHILIPS Techn. Rundschau 1963/64, S. 359. Bei der thermischen Zersetzung von Wolfram - Fluor - Verbindungen wird Wolfram - je nach Dosie- rung des Fluors bzw. der Gegenwart weiterer Komponenten - erst bei Temperaturen zwischen 2000K und 3500 K freigesetzt bzw. abgeschieden. Einer Anwendung des Fluors steht jedoch die chemische Reaktivität von Fluor bzw. Fluor enthaltenden Verbindungen im Wege; so reagiert Fluor an der Kolbenwand aus Glas zu SiF4 und wird damit dem Kreis- prozess entzogen. Ein Schutz des Glaskolbens - z.B. durch Beschichtung mit AlF3, Al2O3 (welches durch Reaktion mit Fluor eine passivierende AlF3 Schicht bildet) - bzw. die Verwendung gegen Fluor inerter Materialien ist daher er- forderlich. Diese Maßnahmen führen zu einer deutlichen Verteuerung der Lampe.
Der bei Lampen mit einem Leuchtkörper aus Metallcarbiden zum Teil eingesetzte oben erwähnte Kohlenstoff- Wasserstoff-Kreisprozess ist nicht regenerativ, weil sich die Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen meist schon bei Temperaturen unterhalb 1000 K nahezu vollständig zersetzen .
Sofern kein regenerativer Kreisprozess zur Ausheilung von „Hot-Spots" zur Verfügung steht bzw. aus Kostengründen nicht umgesetzt werden kann, kann man versuchen, sich mit anderen Maßnahmen helfen, um die Lebensdauer bei einer gegebenen Lichtausbeute zu erhöhen. Z.B. kann man den Dampfdruck des Leuchtkörpermaterials reduzieren (vgl. z.B. DE 10 2005 057 084.4 für Lampen mit einem Leuchtkör- per aus Metallcarbid) ; oder man kann den Leuchtkörper in einem kontinuierlichen Strom desjenigen Materials, wel- ches von ihm abdampft, stabilisieren wird (vgl. z.B. DE 10 2005 052 044.5), usw.. Alle aus der Praxis gut bekannten Maßnahmen, welche den Transport des vom Leuchtkörper abdampfenden Materials verlangsamen, also z.B. eine Erhö- hung des Fülldrucks, die Verwendung von möglichst schweren Inertgasen, die Verwendung von die Wärmeleitung reduzierenden Konstruktionen führen zu einer zumindest mäßigen Erhöhung der Lebensdauer bei konstanter Lichtausbeute auch bei Abwesenheit eines regenerativen Kreisprozesses. Eine Glättung des Temperaturprofils der Wendel durch Modulation der Wendelsteigung bei konstantem Drahtdurchmesser wie z.B. in DE-U 83 12 136 beschrieben trägt ebenfalls zur Erhöhung der Lebensdauer bei. Alternativ kann auch durch ein Zusammensetzen von Wendeln mit verschiede- nen Eigenschaften gemäß DD 247 769 Al das Temperaturprofil längs der Wendel beeinflusst werden.
Im Folgenden wird auf die Option, das Temperaturprofil durch eine Variation des Querschnitts des Wendeldrahts zu glätten und dadurch die Lebensdauer für eine gegebene Lichtausbeute zu erhöhen, etwas detaillierter eingegangen .
Der folgenden Betrachtung liegt die Beobachtung zugrunde, dass es bei Lampen, bei welchen die Lichtemission auf dem Prinzip der Glühemission beruht, es im Lampenbetrieb zur Ausbildung eines Temperaturprofils längs des Leuchtkörpers kommt. Es erfolgt eine Wärmeableitung über die Stromzuführungen, was dazu führt, dass die Temperaturen an Orten nahe der Stromzuführungen deutlich unter denjenigen in der Mitte zwischen den Stromzuführungen liegt. Zudem spielt der Strahlungstransport innerhalb der Wendel eine wichtige Rolle. Dabei wird die von einer Windung der Wendel nach innen emittierte Strahlung von den Innenseiten anderer Windungen zumindest teilweise absorbiert. Der nicht absorbierte Teil der Strahlung wird reflektiert. Je geringer der Abstand zwischen den Innenseiten zweier Win- düngen, um so stärker ist der Strahlungstransport zwischen ihnen, weil die Strahlung empfangende Fläche einen größeren Raumwinkel um die emittierende Fläche „abschattet". Daraus ergibt sich sofort, dass auch der Strahlungstransport dazu führt, dass sich ein Temperaturprofil längs der Wendel ausbildet, welches sein Maximum in der Wendelmitte hat, weil die Summe aller Abstände von einer Windung zu den anderen Windungen für die Windung in der Wendelmitte minimal wird. Zudem kommt es zu einem starken Strahlungsport zwischen den Seitenflächen direkt benach- barter Windungen.
In Lampen mit wendeiförmigen Glühkörpern befindet sich der Ort höchster Temperatur somit meist nahe der Wendelmitte, während die Temperaturen nahe den Wendelenden deutlich niedriger liegen. Je dicker bzw. kürzer der Leuchtdraht, umso steiler ist in der Regel das Temperaturprofil längs der Wendel, d.h. umso größer sind die Temperaturunterschiede zwischen der Wendelmitte und den Wendelenden. Das Temperaturprofil längs der Wendel hat einen wichtigen Einfluss auf die Transportraten. In die- sem Zusammenhang hat es sich bewährt, zwischen radialen und axialen Transportraten zu unterscheiden, wie z.B. in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Philips techn. Rdsch. ^2_, 165-175 (1971/72) dargestellt. Der radiale Transport beschreibt den Trans- port des vom Leuchtkörper abdampfenden Materials in Richtung der Kolbenwand. Er ist u.a. proportional der Abdamp- fungsgeschwindigkeit des Materials vom Leuchtkörper. Kann man - wie in den meisten Fällen in der Praxis - davon ausgehen, dass sich an der Oberfläche des Leuchtkörpers der Gleichgewichtsdampfdruck einstellt, so ist die Trans- portrate für den radialen Transport proportional dem Gleichgewichtsdampfdruck an der Oberfläche des Leuchtkörpers. Die Rate für den axialen Transport ist proportional dem Gradienten der Abdampfungsgeschwindigkeiten des Materials längs der Wendelachse, bzw. in der zuvor beschrie- benen in der Regel brauchbaren Näherung dem Gradienten der Gleichgewichtsdrücke längs der Wendelachse. Je steiler das Temperaturprofil längs der Wendelachse, desto größer sind die Gradienten für die Gleichgewichtsdrücke; und desto größer sind die Raten für den axialen Trans- port.
Durch eine Modulierung der Drahtdicke lässt sich eine Nivellierung des Temperaturprofils längs der Wendel zu erreichen. Zur Erläuterung wird daher zunächst der Einfluss des Drahtdurchmessers auf die Drahttemperatur betrachtet. Führt man z.B. eine geringfügige Verdickung des Drahtes in der Wendelmitte durch, so erhält man bei zunächst als konstant angenommenen Strom eine Absenkung der Temperatur in der Mitte des Leuchtkörpers, zurückzuführen im Wesentlichen auf den verringerten Leistungseintrag an dieser Stelle durch den geringeren elektrischen Widerstand, aber auch durch andere Effekte wie eine stärkere Kühlung durch eine größere strahlende Fläche. Das Umgegehrte gilt bei einer Verringerung des Drahtdurchmessers. Möchte man also das Temperaturprofil längs der Wendelachse glätten, so muss man in der Wendelmitte weniger Leistung eintragen bzw. mehr Leistung dissipieren als an den Wendelenden. Dies kann man dadurch erreichen, dass man den Durchmesser des Wendeldrahts in der Wendelmitte größer auslegt als an den Wendelenden. Dann wird wegen des geringeren elektrischen Widerstands in der Wendelmitte weniger Leistung eingetragen als an den Wendelenden, was in Richtung einer Abflachung des Temperaturprofils wirkt.
Wesentlich hinsichtlich des Einflusses auf die Lebensdauer ist die Summe aus axialem und radialem Transport, die an einer Stelle längs des Leuchtkörpers ein Maximum an- nimmt. Dieses Maximum des Materialabtrags bestimmt die
Lebensdauer. Das Ziel der Modulation der Drahtdicke insgesamt ist, das die Lebensdauer der Lampe bestimmende Maximum der Summe aus axialem und radialem Transport zu minimieren. In diesem Sinne ist eine über den Leuchtkörper vollkommen homogene und an den Wendelenden steil abfallende Temperaturverteilung nicht ideal. Dann wäre der a- xiale Transport im Gewickel zwar gleich null, an den Wendelenden jedoch erhält man einen sehr starken Transport längs der Stromzuführungen, dem zudem der noch sehr starke radiale Transport überlagert ist. Die Wendel fällt dann an den Wendelenden bzw. Stromzuführungen rasch aus. Besser ist es, bei hohen Temperaturen im Gewickel den Temperaturabfall so auszulegen, dass die Summe aus radialem und axialem Transport sich möglichst nicht verändert. Im allgemeinen wird in einem solchen Fall der axiale
Transport zu den Wendelenden hin zunehmen, was aber durch eine Abnahme des radialen Transports mit fallender Temperatur kompensiert werden kann.
Eine Möglichkeit, den Querschnitt des Leuchtdrahts in der gewünschten Weise zu variieren, besteht darin, im Bereich des Leuchtkörpers nahe den Stromzuführungen Material durch elektrolytischen Abtrag zu entfernen wie in DD 217 084 Al beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wie in J. Schröder, „Profilierung von Wolframwendeln in Glühlampen durch chemische Transportreaktionen", Philips techn. Rdsch. 35, 354-355 (1975/76) beschrieben, durch Verwendung eines Transportmittels Wolfram in kälteren Bereichen abzutragen und in heißeren Bereichen wieder abzuscheiden. Z.B. lässt sich durch Betrieb der Glühwendel in einer Atmosphäre aus einem Inertgas und Fluor Wolfram an kälteren Stellen abtragen und an heißeren Stellen wieder abscheiden, was zu einer Glättung des Temperaturprofils führt. Durch die im folgenden beschriebenen Maßnahmen soll eine Verlängerung der Lebensdauer bei konstanter Lichtausbeute bei Abwesenheit eines regenerativen Kreisprozesses erreicht werden, indem durch eine Modulierung des Querschnitts des Leuchtkörpers die Transportraten längs der Wendel abgesenkt werden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Leuchtkörper die Lebensdauer zu erhöhen und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, den Querschnitt des Leuchtkörpers durch einen Abscheidungs- oder Abtragsprozess zu variiren , was in aller Regel kontinuierulich geschieht, woraus wesentliche Vorteile gegenüber dem in DD 217 084 Al beschriebenen elektrolytischen Abtragsprozess als auch gegenüber dem in Philips techn. Rdsch. 3_5, 354-355 (1975/76) beschriebenen Materialumlagerungsprozess resultieren, worauf weiter unten im Detail eingegangen wird.
Zur gezielten Einstellung eines über den Bereich der Wen- del möglichst flachen Temperaturprofils bietet es sich an, eine geeignete Rückreaktion von bekannten Kreisprozessen zu verwenden. Dazu wird die Wendel durch Anlegen einer geeigneten Spannung in einen solchen Temperaturbereich gebracht, dass sich die das Wendelmaterial trans- portierenden chemische Verbindung bei den höchsten Temperaturen nahe der Wendelmitte nahezu vollständig zersetzt. Dies führt dazu, dass beim Betrieb der Glühwendel in einem Gasstrom, welcher u.a. die fragliche chemische Komponente enthält, man den größten Zuwachs der Drahtdicke durch Abscheidung nahe der heißen Wendelmitte erhält, während die Zunahme der Drahtdicke nahe den Wendelenden vergleichsweise gering ausfällt. Dabei handelt es sich - zumindest über das Temperaturintervall, in welchem sich die Abscheidungsraten stark mit der Temperatur ändern - um ein selbstregulierendes System. Die verstärkte Abscheidung in der Lampenmitte führt dazu, dass sich dort die Leuchtkörpertemperatur stärker abkühlt als an den Orten nahe der Wendelenden, was wiederum bewirkt, dass sich mit verringerndem Temperaturunterschied zwischen der Wen- delmitte und den Wendelenden die Differenz der Abscheidungsraten verringert. Das System arbeitet somit selbstregulierend, d.h. die Differenz der Abscheidungsraten zwischen Wendelmitte und Wendelenden bewirkt, dass das Temperaturprofil abflacht, was wiederum zu einer Verrin- gerung der Differenz der Abscheideraten führt. Die Differenz der Abscheideraten längs der Wendel verschwindet im Idealfall erst dann, wenn die Temperaturunterschiede zwischen den Wendelenden und der Wendelmitte vollständig ausgeglichen sind. Nach vollständiger Einregelung sind somit die Abscheideraten längs des Leuchtkörpers gleich groß. Eine „Übersteuerung" - d.h. die Einstellung von niedrigeren Temperaturen in der Wendelmitte verglichen mit der Umgebung - ist somit nicht möglich. Es ist zu beachten, dass ein chemisches Reaktionssystem nur über ein beschränktes Temperaturintervall zu verschiedenen Ab- scheideraten führt. Betreibt man z.B. den Leuchtkörper so, dass sich ein Bereich bei so hoher Temperatur befindet, dass die das Leuchtkörpermaterial tragende Komponente vollständig zersetzt ist, so erhält man über diesen Temperaturbereich gleiche Abscheideraten, d.h. es werden keine Temperaturunterschiede mehr ausgeglichen. Trivialerweise sollten sich die relevanten Bereiche des Glühkörpers nicht bei so niedriger Temperatur befinden, dass kaum noch eine Abscheidung stattfindet.
Man kann diese über die Temperatur gesteuerte Abscheidung von Leuchtkörpermaterial zur Modulation der Drahtdicke als Teilreaktion eines regenerativen Kreisprozesses betrachten, weil die Abscheidung bevorzugt an Stellen höherer Temperatur erfolgt. Im Unterschied zur fertigen Lampe wird jedoch bei diesem Prozess-Schritt die Wendel in ei- nen solchen - in der Regel nicht zur Lichterzeugung geeigneten - Temperaturbereich gebracht, in welchem sich die Abscheideraten längs der Wendel ändern. Die beschriebene Modulation wird während der Herstellung der Lampe durchgeführt; dazu wird die Wendel - welche ggf. bereits in einer Stängel-Lampe fixiert ist - in einem Gasstrom betrieben. Die Modulation kann auch an der fertig gewi- ckelten Wendel vor deren Fixierung in einem Glaskolben erfolgen. Typischerweise lassen sich geeignete Drahtdickenprofile innerhalb einiger Minuten einstellen, siehe unten beschriebenes Ausführungsbeispiel. Erst danach wird die Lampe zu Ende gebaut, d.h. die Wendel wird in der Lampe fixiert und eingequetscht, wenn die Modulation direkt an Wendel vorgenommen wurde, bzw. die Lampe mit einem Füllgas befüllt und abgeschmolzen. Die Abscheidungs- reaktionen lassen sich auch als CVD-Prozesse betrachten (CVD = Chemical Vapor Deposition) .
Aus den beschriebenen Gründen muss die Wendel in einem solchen Temperatur-Bereich betrieben werden, dass sich die Abscheideraten über die längs der Wendel auftretenden Temperaturen deutlich ändern. Der geeignete Temperaturbe- reich ist dabei durch die Chemie des benutzten chemischen Reaktionssystems weitgehend festgelegt. Am günstigsten ist es, zur Nivellierung des Wendeltemperaturprofils längs der Wendel ein solches chemisches Reaktionssystem zu verwenden, für welches die Temperatur während der Ab- Scheidung derjenigen während des Lampenbetriebs möglichst weitgehend entspricht. Aufgrund des verschiedenen Gewichts einzelner Terme in der Energiebilanz sind die Wendeltemperaturprofile für verschiedene angelegte Spannungen bzw. damit verschiedene maximale Wendeltemperaturen nicht durch eine einfache lineare Transformation ineinander überführbar. So spielt die Wärmeableitung längs des Leuchtkörpers als auch die Wärmeableitung in radialer Richtung über das Füllgas zum Kolben hin bei niedrigeren Temperaturen eine relativ gesehen weitaus wichtigere RoI- Ie als bei typischen Betriebstemperaturen des Leuchtkörpers. Mit wachsender Temperatur wird entsprechend den Strahlungsgesetzen die Strahlung immer wichtiger. Dies führt dazu, dass mit fallender Temperatur sich einerseits die Bereiche mit Temperaturänderungen nahe der Wendelenden immer weiter ausdehnen, weil die Wärmeleitung längs des Leuchtkörperdrahts eine immer größere Rolle spielt, d.h. man erhält mit fallender Temperatur zunehmend ausgedehnte Temperaturprofile nahe der Wendelenden. Andererseits flacht mit fallender Temperatur das Temperaturprofil um die Wendelmitte herum zunehmend ab, weil der Strahlungstransport eine immer geringere Rolle spielt.
Während der Abscheidung nimmt die Drahtdicke an jedem Ort - wenn auch in verschiedenem Maße - zu, so dass es mit zunehmender Abscheidungsdauer zu einer Absenkung der Temperatur kommt. Da die Geschwindigkeit der Abscheidungsre- aktion mit fallender Temperatur immer kleiner wird bzw. dann in relativ kalten Bereichen praktisch keine Abscheidung mehr stattfindet, empfiehlt es sich, die Glühwendel durch Nachregelung (Erhöhung) der Spannung in einem solchen Temperaturbereich zu halten, der dem „Regelbereich" des chemischen Reaktionssystems entspricht. Diese Nachregelung der Spannung wird optimal durch eine Messung der Temperatur der Glühwendel gesteuert. Näherungsweise kann auch eine leistungsgesteuerte Nachregelung erfolgen. Da bei konstanter Wendeltemperatur die Leistungsaufnahme mit zunehmender Drahtdicke steigt, empfiehlt es sich in diesem Falle, durch kurzzeitiges Abschalten der angelegten Spannung die auf die Änderung des Drahtdurchmessers zurückzuführende Änderung des Kaltwiderstands zu messen und dann die Leistung entsprechend nachzuregeln .
Die beschriebene Nivellierung des Temperaturprofils längs der Wendel wirkt sich in doppelter Hinsicht günstig auf die Verringerung des Materialtransports aus. Zum einen kommt es wegen der Verringerung des axialen Temperaturgradienten zu einer deutlichen Reduzierung des axialen Transports. Zum anderen liegt - bei insgesamt gleichem Lichtstrom - die maximale Temperatur in der Wendelmitte etwas niedriger als bei der Wendel mit konstanter Drahtdicke, was sich günstig hinsichtlich einer Reduzierung des maximalen radialen Transports auswirkt. Insgesamt kommt es zu einer Reduzierung des auftretenden maximalen Materialabtrags, was sich günstig hinsichtlich einer Verlängerung der Lebensdauer auswirkt.
Anstelle einer temperaturgesteuerten Abscheidungsreaktion kann auch der dazu komplementäre Vorgang, nämlich der temperaturgesteuerte Abtrag von Leuchtkörpermaterial, zur Erzeugung eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser verwandt werden. Als Beispiel sei die chemische Transportreaktion
Me<s> + n X<g> = MeXn<g>
betrachtet. Dabei steht Me für ein metallisches Leucht- körpermaterial (z.B. Wolfram) und X für ein Transportmittel (z.B. ein Halogen) . Bei Abscheidungsreaktionen benutzt man den temperaturgesteuerten Zerfall des Precur- sormaterials
MeXn<g> → Me<s> + n X<g>
zur Erzeugung eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser. Bei der temperaturgesteuerten Abtragsreaktion benutzt man hingegen die Reaktion des Transportmittels X mit dem Leuchtkörpermaterial Me zur Erzeugung eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser. Wenn z.B. bei niedriger Temperatur ein aus dem Leuchtkörpermaterial Me und dem Transportmittel X bestehender Precursor bei der Abscheidungsreaktion nur wenig zerfällt und damit das chemische Gleichgewicht auf der Seite des Precursormate- rials liegt, so folgt daraus umgekehrt, dass bei Überleitung des reinen Transportmittels über eine Oberfläche des Leuchtkörpermaterials relativ viel Leuchtkörpermaterial abgetragen wird. Zusammenfassend ergibt sich also:
Fall 1: Das Gleichgewicht Me<s> + n X<g> = MeXn <g> liegt bei niedrigen Temperaturen auf der Seite der Verbindung MeXn<g>:
Abscheidungsreaktion: Kaum Abscheidung, weil MeXn<g> kaum zerfällt
Abtragsreaktion: Starker Abtrag, weil viel Material Me in Form von gasförmigem MeXn gelöst wird.
Fall 2: Das Gleichgewicht Me<s> + n X<g> = MeXn <g> liegt bei hohen Temperaturen auf der Seite der Verbindungen Me<s>, X<g>:
Abscheidungsreaktion: Starke Abscheidung, weil der Precursor MeXn<g> weitgehend zerfällt.
Abtragsreaktion: Kaum Abtrag, weil das Material Me durch das
Transportmittel X kaum angegriffen wird.
In beiden Fällen - sowohl der Abscheidungs- als auch der Abtragsreaktion - erhält man Leuchtkörper, deren Durchmesser am Ende geringer sind als in der Wendelmitte, was zu einer Glättung des Temperaturprofils längs der Wendel führt. Im Falle der Abscheidungsreaktion vergrößert sich dabei der Leuchtkörperdurchmesser in der Mitte; im Falle der Abtragsreaktion verkleinert er sich an den Enden. Für beide Varianten arbeitet das System selbstregulierend, d.h. die chemischen Vorgänge wirken in Richtung einer Glättung des Temperaturprofils.
Aufgrund kinetischer Einflüsse müssen die geeigneten Temperaturbereiche für die Abscheidungs- und die Abtragsre- aktion nicht unbedingt übereinstimmen. Bei Abtragsreaktionen besteht der Vorteil, dass der Abtrag meist relativ gleichmäßig erfolgt; zumindest bei nicht rekristallisiertem Leuchtkörpermaterial. Bei rekristallisiertem Material kann der Abtrag bei gleichen Temperaturen für verschiede- ne Kristallflächen bzw. an Korngrenzen verglichen mit den Kristallflächen mit verschiedenen Geschwindigkeit erfolgen. Bei Abscheidungsreaktionen kann es bei ungünstigen Randbedingungen statt zu einer gleichmäßigen Abscheidung zu einem Aufwachsen von Kristalliten kommen. Kommt es bei hohen Konzentrationen des Precursors bereits in der Gasphase zur Bildung von Keimen, so beobachtet man meist eine Ablagerung von schwamm-artigen Kristalliten auf der Oberfläche, die sich aber z.T. noch bei hohen Temperaturen in eine homogenere Beschichtung überführen lassen. Besonders ungünstig ist das bei manchen Randbedingungen auftretende Wachstum von nadeiförmigen Dendriten. In den meisten Fällen lassen sich jedoch Reaktionsbedingungen finden, bei denen eine homogene Abscheidung erfolgt. Eine bevorzugte Methode zur Erzeugung einer homogenen Be- Schichtung besteht z.B. darin, zunächst eine hohe Keimdichte des Beschichtungsmaterials auf der zu beschichte- ten Oberfläche zu erzeugen. Dazu wird dem eigentlichen Beschichtungsprozess ein Bekeimungsschritt vorangestellt, der in einem anderen Temperaturbereich als der eigentliche Beschichtungsprozess - meist bei niedrigerer Temperatur - durchgeführt wird. Auch bei Abscheidungsre- aktionen ist die Verwendung von noch nicht rekristallisiertem Draht mit aus dem Ziehprozess herrührender Faserstruktur zu bevorzugen, weil bei bereits rekristallisiertem Draht durch die einzelnen Kristallflächen definierte Vorzugsrichtungen für das Kristallwachstum existieren. In vielen Fällen lassen sich Abscheidungsreaktionen durch die Verwendung geeigneter Precursor leichter beherrschen als Abtragsreaktionen.
Es sind nicht nur einfache chemische Dissoziationsgleich- gewichte des Typs Me<s> + n X<g> = MeXn<g> geeignet, um einen Leuchtkörper durch Abscheidungs- oder Abtragsreaktionen zu modulieren. Es können auch komplexere Reaktionen, wie z.B. die Reduktion eines Precursors MeXn<g> durch ein Reduktionsmittel Y<g> zu Me<s> und einer Ver- bindung YX<g> eingesetzt werden, wenn (a) eine geeignete Temperaturabhängigkeit der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit vorliegt und (b) geeignete Bedingungen gefunden werden, unter denen eine gleichmäßige Abscheidung und kein Kristallwachstum erfolgt.
Im folgenden werden mehrere geeignete Reaktionssysteme beschrieben. Dabei wird immer nur auf die Abscheidungsre- aktion eingegangen; die dazu komplementäre Variante der Abtragsreaktion ergibt sich sinngemäß wie zuvor beschrieben. Die Chemie dieser Reaktionssysteme ist bereits meist bekannt, neu ist deren gezielte Nutzung zur Erzeugung ei- ner Wendel mit modulierter Drahtdicke bzw. allgemein eines Leuchtkörpers mit moduliertem Durchmesser.
(a) Abscheidungsreaktionen in Systemen Wolfram - Halogen
Basis für die Durchführung der Modulation der Drahtdicke sind hier die gut bekannten Rückreaktionen des Halogen- kreisprozess . Betrachtet sei zunächst eine Lampe mit einer Glühwendel aus Wolfram. Die Stängellampe - d.h. die soweit fertig gebaute, jedoch noch nicht abgeschmolzene Lampe mit Pumpstängel - wird von einem Gemisch aus einem Inertgas und Wolframhexafluorid durchströmt. Alternativ kann die Modulation auch außerhalb des Kolbens an der Wendel vorgenommen werden, indem diese kontaktiert und von dem genannten Gasgemisch umströmt wird. Die Betriebsspannung wird so gewählt, dass die maximale Wendeltempe- ratur bei ca. 2700 K liegt. Es kommt dann zu einer verstärkten Abscheidung von Wolfram in der Wendelmitte und somit zu einer Modulation der Drahtdicke. Die Verwendung eines ungeschützten Kolbens aus Quarz oder Hartglas ist hier ohne Probleme möglich. Zwar reagiert das bei der Zersetzung von WF6 freigesetzte Fluor an der Kolbenwand zu SiF4 ab; dies kann aber hingenommen werden, weil laufend frisches Wolframhexafluorid von außen zugeführt wird. Es kommt zu Ausbildung einer Glühwendel aus einem Draht mit einer modulierten Drahtdicke. Von Vorteil ist hier, dass die Modulation bei Temperaturen erfolgt, die nur wenig unterhalb der Betriebstemperatur der Glühwendel um ca. 3000 K liegen. Wenn somit sich bei der Modulation bei Temperaturen knapp unter 2700 K ein flaches Temperaturprofil einstellt, so ist dieses auch bei Temperaturen um 3000 K noch sehr flach. Alternativ lässt sich eine Modulation der Drahtdicke auch durch Zerfall von Wolfram- Chloriden, -bromiden, iodiden bzw. Wolframoxifluoriden, - oxichloriden, -oxibromiden und -oxiiodiden durchführen. Wegen unvermeidlicher Restspuren an Sauerstoff werden die Wolframoxihalogenide immer zumindest in Spuren vorhanden sein, auch wenn reine Wolframhalogenide als Precursor eingesetzt werden. Werden z.B. Wolframbromide verwandt, so muss man jedoch die Wendel in einem Temperaturbereich typischerweise unterhalb 1700 K betreiben. Wird die Drahtdicke so moduliert, dass bei Betriebstemperaturen um bzw. unterhalb 1700 K sich ein flaches Temperaturprofil einstellt, so ist das sich bei Betrieb dieser Wendel um 3000 K einstellende Temperaturprofil wegen des zunehmenden Einflusses der Strahlung nicht mehr so flach wie dasjenige bei einer Betriebstemperatur um 1700 K.
(b) Allgemein: Abscheidungsreaktionen in Systemen aus hochschmelzenden Metallen und Halogenen
Die für einen aus Wolfram bestehenden Glühkörper beschriebenen Verhältnisse lassen sich auch auf Leuchtkörper aus anderen hochschmelzenden Metallen wie Tantal, Os- mium, Rhenium usw. bzw. Legierungen dieser Metalle übertragen. Durch Betrieb der Glühkörper in einem Strom eines Gasgemisches aus einem Inertgas und den jeweiligen Me- tallhalogeniden lässt sich eine Modulation der Durchmessers des Leuchtkörpers erreichen. Die Chemie dieser wich- tigen chemischen Transportreaktionen ist in vielen Fällen in H. Schäfer, „Chemische Transportreaktionen", Verlag Chemie, 1962 beschrieben. Wichtig ist, dass der Temperatur des Leuchtkörpers bei der Abscheidung an die Erfordernisse des jeweiligen chemischen Reaktionssystems ange- passt sind. Bevorzugt werden wieder die Fluoride der jeweiligen Metalle eingesetzt, weil diese sich erst bei ho- hen Temperaturen, welche meist den Betriebstemperaturen der Leuchtkörper schon recht nahe kommen, zersetzen.
(c) Abscheidung von Wolfram, Molybdän etc. durch Reduktion der Metallfluoride durch Wasserstoff
Wolframhexafluorid wird durch Wasserstoff zu Wolfram reduziert, wobei HF entsteht. Im einfachsten Fall lässt sich die chemische Reaktion durch
WF6<g> + 3 H2 -> W<s> + 6 HF
beschreiben. Zumindest im Temperaturbereich zwischen ca. 4000C und 10000C läuft diese chemische Reaktion um so schneller ab, je höher die Temperatur ist. Die Abschei- dungsgeschwindigkeit sowie die Konsistenz der Abscheidungen (unerwünschtes Wachstum von Dendriten oder erwünschte homogene Abscheidung) werden außer durch die Temperatur von dem Verhältnis der Partialdrücke von WF6 und H2 sowie dem Gesamtdruck beeinflusst. Zu Details hinsichtlich dieses und verwandter Reaktionssysteme siehe auch z.B. Jean F. Berkeley, Abner Brenner, Walter E. Reid, „Vapor Deposition of Tungsten by Hydrogen Reduction of Tungsten He- xafluoride", J. Electrochem. Soc, 114 (1967) 6, pages 561 - 568, und A. M. Shroff, G. Deival, „Recent develop- ments in the chemical vapor deposition of tungsten and molybdenum", High Temperatures - High Pressures, 1971, volume 3, pages 695 - 712.
(d) Abscheidungsreaktionen in den Systemen Kohlenstoff- Halogen, Kohlenstoff-Wasserstoff, und Kohlenstoff- Schwefel
Als weiteres Beispiel sei ein aus einer Kohlenstofffaser bzw. einem Bündel von Kohlenstofffasern bestehender Glüh- körper betrachtet. Hier kann man eine Modulation des Dicke der Faser analog erreichen, indem man den Leuchtkörper bei Temperaturen im Bereich zwischen 2800 K und 3500 K, bevorzugt zwischen 3000 K und 3500 K, in einem Ge- misch aus einem Inertgas (z.B. einem Edelgas) und Kohlenstofftetrafluorid CF4 betreibt. Andere Kohlenstoff- Halogen oder auch Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen zersetzen sich bereits bei Temperaturen weit unterhalb 1000 K. Eine Modulation unter Benutzung dieser Systeme ist möglich, wegen der weit unter der Betriebstemperatur liegenden Abscheidungstemperaturen aber weniger vorteilhaft. Zur Chemie der Kohlenstoff-Halogen bzw. Kohlenstoff-Wasserstoff-Systeme siehe z.B. „Kohlefadenlampen mit einem chemischen Transport-zyklus", Philips techn. Rdsch. 35, 338 - 241, 1975/76, Nr. 11/12 und W., J. van den Hoek, W. Klessens, „Carbon-hydrogen and carbon- chlorine transport reactions in carbon filament incandes- cent lamps", Carbon 13, 429 - 432 (1975) . Bei Betrieb des Leuchtkörpers knapp unter dem Schmelzpunkt des Koh- lenstoffs ist auch die Verwendung des C-S-Systems möglich. Leitet man Schwefelkohlenstoff CS2 bei Temperaturen oberhalb ca. 2200 K über Kohlenstoff, so entsteht CS, welcher sich im Bereich zwischen 3400 K und ca. 4000 K unter Freisetzung von Kohlenstoff zersetzt.
(e) Leuchtkörper aus Metallcarbiden, -nitriden oder boriden: Modulation des Querschnitts des Glühkörpers aus dem Ausgangsmetall durch Abscheidungsreaktionen
Leuchtkörper aus Metallcarbiden, -nitriden oder -boriden bzw. Legierungen dieser Verbindungen werden meist durch Carburierung, Nitrierung oder Borierung der Leuchtkörper aus den jeweiligen Ausgangsmetallen hergestellt, weil als Keramiken zu betrachteten Metallcarbide, -nitride oder - boride zu spröde sind, um sich leicht verarbeiten zu lassen. Damit bietet sich die Möglichkeit, die Durchmesser der Leuchtkörper aus den jeweiligen Ausgangsmetallen zu modulieren, und dann im nächsten Verfahrensschritt die Carburierung bzw. Nitrierung bzw. Borierung vorzunehmen. Im folgenden wird als Beispiel eine Lampe aus einer Glühwendel aus Tantalcarbid betrachtet. Hier kann man die Glühwendel zunächst aus Tantal wickeln. Betreibt man z.B. den zu modulierenden Bereich der Tantalwendel bei Temperaturen zwischen 2800 K und 3200 K in einem Strom aus einem Inertgas und Tantalfluorid, so erhält man eine Glühwendel aus Tantal mit modulierter Drahtdicke, bei der der Drahtdurchmesser in der Mitte größer ist als nahe den Wendelenden. Anschließend wird die Wendel aus Tantal durch Carburierung in einer Atmosphäre aus einem Inertgas und einem Kohlenwasserstoff in Tantalcarbid überführt, vgl. z.B. S. Okoli, R. Haubner, B. Lux, Surface and Coa- tings Technology 47 (1991), 585 - 599, und G. Hörz, Me- tall 27, (1973), 680. Die Modulation der Drahtdicke bleibt dabei erhalten, d.h. die relativen Schwankungen des Durchmessers der Wendel aus Tantal bildet sich genau auf die Wendel aus Tantalcarbid ab. Alternativ kann man auch Tantal auf einem Glühkörper aus Tantalcarbid ab- scheiden und die Tantalschicht im nächsten Verfahrensschritt carburieren.
(f) Leuchtkörper aus Metallcarbiden, -nitriden oder - boriden: Modulation der Drahtdicke des Glühkörpers durch direkte Abscheidung der Carbide, Nitride und Boride.
Mann kann auch die Metallcarbide, Metallnitride und Metallboride direkt auf den jeweiligen Leuchtkörpern ab- scheiden. Z.B. kann man Tantalcarbid direkt auf Leuchtkörpern aus Tantalcarbid abscheiden. Die grundlegenden Eigenschaften dieses Prozesses sind beschrieben z.B. in W. J. Heffernan, I. Ahmad, R.W. Haskeil, Benet Weapons La- boratory, Watervliet, NY, USA, „A continuous CVD process for coating filaments with tantalum carbide", Chem. Vap . Deposition, Int. Conf., 4th Meeting (1973), Meeting Date 1973, pages 498 - 508; dort werden die Abhängigkeiten der Abscheideraten von den einzelnen experimentellen Parame- tern genau diskutiert. Der Gesamtprozess der Abscheidung von Tantalcarbid lässt sich durch die zusammenfassende Reaktionsgleichung TaCl5 + CH4 + 1/2 H2 → TaC + 5 HCl beschreiben. Unter geeigneten Reaktionsbedingungen erhält man Abscheideraten von TaC in der Größenordnung von 10 μm/min, d.h. diese Abscheideraten liegen in einem Bereich, der einen Einsatz des Verfahrens in einer mechanisierten Produktion möglich erscheinen lässt. Die Abscheideraten von TaC ändern sich stark im Temperaturbereich zwischen ca. 1100 K und 1300 K; d.h. die Betriebsspannung am TaC Leuchtkörper sollte so eingestellt werden, dass sich die Temperaturen im Bereich des zu glättenden Temperaturprofils zwischen 1100 K und 1300 K bewegen. Wesentlich ist weiterhin, dass unter den angegebenen Reaktionsbedingungen Schichten relativ symmetrisch aufwachsen und nicht etwa Kristallite, welche praktisch nicht zum Stromtransport beitragen. Analoge chemische Reaktionssysteme existieren für die anderen Metallcarbide, -nitride und - boride, bzw. Legierungen dieser einzelnen Komponenten.
Die Modulation der Drahtdicke wird für eine solche Zeit- dauer durchgeführt, bis zu der man ein eine solche Modulation der Radien erreicht hat, welche im Lampenbetrieb zu einem optimalen oder nahezu optimalen Temperaturprofil führt, siehe weiter oben. Ist die Zeitdauer des Abschei- dungs- oder Abtragsprozesses zu kurz, so ist die Modulation unzureichend, und der Leuchtkörper brennt meist nahe der Mitte durch. Ist die Zeitdauer des Abscheidungs- oder Abtragsprozesses zu lang, so erreicht man zwar relativ homogene Temperaturverteilungen im Gewickel, dafür jedoch kommt es zu einem sehr starken Materialabtrag an den Wendelenden am Beginn des schroffen Temperaturabfalls . Bei zu langen Abscheidungsdauern besteht bei Wendeln mit geringer Steigung die Gefahr eines Windungsschlusses bzw. elektrischen Durchschlags. Da zudem verfahrenstechnische Einflüsse - z.B. eine evtl. leicht ungleichmäßige Umströ- mung der Wendel - von Relevanz sind, empfiehlt es sich, die optimale Abscheidungsdauer experimentell zu ermitteln. Dazu wird an den Wendeln für verschiedene Zeiten ein Materialabtrag bzw. eine Materialabscheidung vorgenommen, anschließend unter Verwendung dieser Wendeln fertig gebaute befüllte Lampen sonst gleicher Geometrie lichttechnisch vermessen und im Lebensdauertest geprüft. Das Optimum liegt bei der größten Lampengüte, d.h. bei den Lampen, die bei gleicher Lichtausbeute die größte Lebensdauer erreichen,
Die hier beschriebenen Ausführungen sind nicht auf wen- delförmige Glühkörper aus Drähten beschränkt. Sie sind für praktisch alle Leuchtkörper zutreffend, bei denen die Lichterzeugung auf dem Prinzip der Erzeugung von Temperaturstrahlung beruht. Beispiele für Leuchtkörper anderer Geometrie sind gestreckte oder verwickelte Bänder, plana- re geschlitzte Metallfolien mit mäanderförmigen Leitungs- verläufen bzw. rechteckigem Leitungsquerschnitt, spiralförmige Leuchtkörper, etc.
Ggf. können die hier beschriebenen Möglichkeiten zur Glättung des Temperaturprofils längs der Wendel mit wei- teren Maßnahmen, etwa der Verwendung einer Wendel mit modulierter Steigung, kombiniert werden.
Die hier beschriebene Vorgehensweise bietet deutliche Vorteile gegenüber dem in DD 217 084 Al beschriebenen e- lektrolytischen Abtrag von Wendeln. Zum einen wird hier ein selbstregulierendes System verwandt, d.h. die Temperatur selber steuert die Abtrags- und Abscheidungsprozes- se . Zum anderen lassen sich verfahrenstechnisch in der Massenproduktion chemische Abscheidungs- und Abtragsreaktionen wesentlich leichter realisieren als nasschemische Verfahren wie in DD 217 084 Al. Schließlich ist der e- lektrolytische Abtrag wie in DD 217 084 Al beschrieben auf Leuchtkörper aus ausgewählten metallischen Materialien beschränkt und nicht auf Leuchtkörper aus Keramiken (z.B. Metallcarbiden) anwendbar.
Die hier beschriebenen Verfahren bieten ebenfalls deutliche Vorteile gegenüber der in J. Schröder, „Profilierung von Wolframwendeln in Glühlampen durch chemische Transportreaktionen", Philips techn. Rdsch. _35_, 354-355 (1975/76) beschriebenen Vorgehensweise. Im Unterschied zu Philips techn. Rdsch. 3_5, 354-355 (1975/76) wird hier das Leuchtkörpermaterial nicht von kälteren zu heißeren Stellen umgelagert, sondern entweder ausschließlich von außen zugeführtes Leuchtkörpermaterial abgeschieden oder ausschließlich Leuchtkörpermaterial abgetragen und in Form von flüchtigen gasförmigen Verbindungen entfernt. D.h. hier wird von außen zugeführtes Leuchtkörpermaterial abgeschieden oder Leuchtkörpermaterial abgetragen und komplett entfernt, während in Philips techn. Rdsch. 3_5, 354- 355 (1975/76) lediglich das reine Transportmittel (z.B. ein Halogen) zugeführt wird und das Leuchtkörpermaterial umgelagert wird. Die hier beschriebene Vorgehensweise bietet gegenüber der reinen Umlagerung von Leuchtkörpermaterial wie in Philips techn. Rdsch. 35, 354-355 (1975/76) beschrieben folgende Vorteile: - Bei der Umlagerung wird das an einer kälteren Stelle abgetragene Ma- terial bevorzugt an den direkt benachbarten heißeren Stellen abge- schieden, an denen sich das das Leuchtkörpermaterial tragende Mole- kül zersetzt, während an weiter entfernten Stellen derselben hohen Temperatur weniger Material abgeschieden wird, weil nur noch „weni ger das Material tragende Moleküle ankommen". Scheidet man gemäß der hier beschriebenen Vorgehensweise Material durch Betrieb der Wendel in einem Strom eines geeigneten Precursormaterials ab oder trägt man Leuchtkörpermaterial ab, so erhält man in höherem Maße geglättete Temperaturprofile.
Bei Anwendung von reinen Abscheidungs- oder Abtragsreaktionen las- sen sich die Reaktionsbedingungen wesentlich leichter hinsichtlich dem Erreichen einer gleichmäßigen Durchmesservariation optimieren, z.B. durch das Vorschalten geeigneter Bekeimungsschritte bei Abscheidun- gen und durch die Wahl geeigneter
Konzentrationen und Durchflussgeschwindigkeiten. Bei Um- lagerungsprozessen hat man weitaus weniger Parameter zur Optimierung zur Verfügung. Die Konzentration des abzuscheidenden Materials beim Abscheidungs- prozess ist z.B. durch das chemische Reaktionssystem weitgehend festgelegt; der Partialdruck der das abzuscheidende Material tragende Verbindung kann im wesentlichen nur durch die Konzentration des Transportmittels beeinflusst werden. .
Bei Leuchtkörpern aus Keramiken wie Metallcarbiden sind Umlagerungsreaktionen wie in Philips techn. Rdsch. 35, 354-355 (1975/76) nicht anwendbar, weil mindestens 2 chemische Elemente transportiert werden müssen. Z.B. müssten bei Verwendung von Leuchtkörpern aus Tantalcarbid sowohl Tantal als auch der Kohlenstoff umgelagert wer- den. Dazu müssten die Temperaturabhängigkeiten der chemischen Gleichgewichte zwischen Tantal und dem Transportmittel einerseits und Kohlen- Stoff und dem Transportmittel andererseits genau gleich sein. D.h. an kälteren Stellen müssten Tantal und Kohlenstoff in genau gleichem Maße durch das Transportmittel in der Gasphase gelöst werden; während bei höheren Temperaturen der Dissoziationsgrad der das Tan- tal und den Kohlenstoff tragenden Verbindungen gleich sein müsste. Solche chemischen Reaktionssysteme existieren jedoch nicht, man kann sich dem Idealzustand lediglich annähern. Hinzu kommt, dass auch die Transportgeschwindigkeiten der beiden zu transportierenden Elemente unterschiedlich sind; so diffundieren z.B. Kohlenstoff-Fluorverbindungen wesentlich schneller als Tantal-Fluor-Verbindungen .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen: Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel; Figur 2 ein gewendelter Leuchtkörper für die Glühlampe gemäß Figurl; Figur 3 ein Diagramm, das die Änderung des Radius des
Leuchtkörpers als Funktion des Abstands von der
Wendelmitte zeigt; . Figur 4 ein Vergleich der Temperatur am Leuchtkörper während der Abscheidung als Funktion des Ab- Stands von der Wendelmitte;
Figur 5 ein Vergleich der Temperatur am Leuchtkörper während des Betriebs als Funktion des Abstands von der Wendelmitte.
Bevorzugte Ausführungsform 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 können auch separate Teile sein.
Die aus Tantalcarbid bestehende Glühwendel der schematisch in Figur 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weitgehend einer auf dem Markt erhältlichen Niedervolt-Halogenglühlampe entspricht, ist durch Carburie- rung einer aus Tantaldraht (Durchmesser 135 μm) gewickelten Wendel (12 Windungen, Steigungsfaktor 2,24, Kernfaktor 5,6) entstanden. Die Länge eines Abgangs ist 10 mm. Bei der Carburierung wächst der Drahtdurchmeser auf 146 μm. Bei Verwendung von Xenon als Grundgas, zu dem noch Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoff und Halogen (J, Br, Cl, F) enthaltende Substanzen beigefügt werden, weist die Lampe bei Betrieb an 14 V eine Leistungsaufnahme von ca. 45 W auf, wobei die Farbtemperatur charakte- ristischerweise um 3300 K liegt.
In Figur 2 ist schematisch der Leuchtkörper 7 genauer dargestellt nach Durchführung der Modulation des Drahtquerschnitts durch den weiter unten beschriebenen Ab- scheidungsprozess . Der Durchmesser des Drahtes des Leuchtkörpers ist unterschiedlich. In der Mitte ist der Durchmesser d2 deutlich größer als am Rand, wo der Durchmesser mit dl angegeben ist.
Figur 3 zeigt das Profil des Radius des Wendeldrahts nach einer einminütigen Abscheidung entsprechend der Reakti- onsgleichung
TaCl5 + CH4 + 1/2 H2 → TaC + 5 HCl.
Die Abscheidebedingungen wurden in etwa so gewählt wie in (e) beschrieben (HCl strömt über Tantal zur Erzeugung von TaCl5, Gasströme 40 cm3/min HCl, 250 cm3/min CH4) . Da der Radius des Drahtes in Bezug auf die Wendelmitte sich symmetrisch ändert, zeigt die Darstellung nur den Radius des Drahtes für eine Hälfte. Die andere Hälfte ist spiegelsymmetrisch. Der angegebene Ort bezeichnet die Position längs des Leuchtdrahts. Figur 4 zeigt einen Vergleich der Temperatur, die bei der Abscheidung verwendet wird, zwischen einem gewendelten Leuchtkörper mit sich ändernder Drahtdicke (Kurve 1) und einem gleichartigen Leuchtkörper mit konstanter Drahtdi- cke (Kurve 2) für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Hier befinden sich die gewendelten Leuchtkörper in einem typischen zur Abscheidung von TaC geeigneten Temperatur-Bereich. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde die Betriebsspannung so angepasst, dass die Temperaturen in der Mitte des Leuchtkörpers übereinstimmen.
Figur 5 zeigt einen Vergleich der Temperatur im Betrieb zwischen einem gewendelten Leuchtkörper mit sich ändernder Drahtdicke (Kurve 1) und einem gleichartigen Leuchtkörper mit konstanter Drahtdicke (Kurve 2) für das Aus- führungsbeispiel . Hier befinden sich die gewendelten Leuchtkörper in einem typischen während des Lampenbetriebs erreichten Temperatur-Bereich. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde auch hier die Betriebsspannung so angepasst, dass die Temperaturen in der Mitte des Leucht- körpers übereinstimmen.
Sind die Wendelabgänge wie bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 integral mit dem Leuchtkörper aus einem durchgehenden Draht gefertigt, und wird zur Modulation der Drahtdicke ein Abscheidungsverfahren gewählt, so kann es bei einer starken Vergrößerung des Leuchtdrahtdurchmessers im Bereich des Gewickeis dazu kommen, dass die nicht vergrößerten und somit deutlich dünneren Drahtabschnitte an den Wendelabgängen nahe der Quetschung beim Einschalten relativ stark belastet werden. In diesem Falle bietet sich die Verwendung von Überzugswendeln wie in DE - Az 10 2004 014 211.4 beschrieben an, um die Einschaltfestigkeit zu erhöhen.
Ergänzend soll noch erwähnt werden, dass eine Modulation des Durchmessers des Leuchtkörpers auch durch eine Abtrag mittels Laser erfolgen kann. Weiterhin kann eine Modulation des Drahtdurchmessers auch durch Aufbringen von Material durch Sputterprozesse oder durch elektrolytische Abscheidung (im Gegensatz zu elektrolytischem Abtrag wie in DD 217 084 Al beschrieben) erfolgen. Diese und weitere Prozesse sind jedoch technisch schwieriger zu beherrschen, da sie nicht selbstregulierend arbeiten.
Im Falle von planaren Glühfilamenten mit rechteckigem Querschnitt kann z.B. der Abstand der mäanderförmigen Schlitze variiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Leuchtkörper für eine Glühlampe aus einem Metall oder einer Metallverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Leuchtkörpers vom Rand des Leuchtkörpers zur Mitte des Leuchtkörpers hin konti- nuierlich zunimmt, wobei die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch chemische Abschei- dungs- oder Abtragsprozesse vorgenommen worden ist, und wobei der Querschnitt insbesondere kreisförmig ist.
2. Leuchtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt um mindestens 15 % zunimmt.
3. Leuchtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Tantalcarbid, Hafniumcar- bid, Zirkoncarbid oder weiteren Metallcarbiden oder. den jeweiligen -nitriden oder boriden besteht.
4. Leuchtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus einer Legierung verschiedener Metallcarbide, Metallnitride oder Metallboride besteht .
5. Glühlampe mit einem Leuchtkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mit Stromzuführungen, die den Leuchtkörper haltern, wobei der Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben vakuumdicht eingebracht ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch die thermische Zersetzung eines das Leuchtkörpermaterial tra- genden Precursors mittels eines Abscheideprozesses erzeugt wird, wobei der Leuchtkörper während dieser Abscheidung in einem solchen an das chemische Reaktionssystem angepassten Temperaturbereich betrieben wird, dass an den einzelnen Stellen des Leuchtkörpers um so mehr Leuchtkörpermaterial durch Zerfall des Precursors abgeschieden wird, je höher die Temperatur an den betreffenden Stellen ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variati- on des Querschnitts des Leuchtkörpers durch einen Abtrag von Leuchtkörpermaterial durch Reaktion mit einem Transportmittel erzeugt wird, wobei der Leuchtkörper während dieses Abtragsprozesses in einem solchen an das chemische Reaktionssystem angepassten Temperaturbereich betrieben wird, dass an den einzelnen Stellen des Leuchtkörpers um so mehr Leuchtkörpermaterial abgetragen wird, je niedriger die Temperatur an den betreffenden Stellen ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des aus Wolfram bzw. Wolframlegierungen bestehenden Leuchtkörpers durch thermische Zersetzung von Wolframhalogeniden, Wolframoxihaloge- niden, Wolframcarbonylen oder -cyaniden vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Wolfram abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts des aus einem hochschmelzenden Metall wie z.B. Osmium, Rhenium, Niob, Hafnium, Zirkonium oder Tantal bzw. Legierungen dieser Metalle bestehenden Leuchtkörpers durch thermische Zersetzung von Metallhalogeniden (Metallfluoriden, Chloriden, -bromiden, -iodiden) , Metalloxihalo- geniden, Metallcarbonylen oder -cyaniden vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Metall abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Variation des Querschnitts abgeschiedene Metall durch Reduktion der Metallhalogenide bzw. Metalloxihaloge- nide durch Wasserstoff erzeugt wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass umso mehr Metall abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Variati- on des Querschnitts des aus einer Kohlenstofffaser bzw. einem Bündel von Kohlenstofffasern bestehenden Leuchtkörpers durch thermische Zersetzung von Kohlenstoff-Halogen-, Kohlenstoff-Wasserstoff-, oder Koh- lenstoff-Schwefel-Verbindungen, vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Kohlenstoff abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Metallcarbid, -nitrid oder borid bzw. einer Legierung verschiedener carbide, -nitride und -boride, die Querschnittmodulation durch Abscheidung des verwandten Leuchtkörpermaterials auf dem Leuchtkörper in einem CVD Prozess vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich be- trieben wird, dass um so mehr Leuchtkörpermaterial abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstel- lung eines Leuchtkörpers aus Tantalcarbid die Variation des Querschnitts des Leuchtkörpers durch Abscheidung von Tantalcarbid durch Verwendung der Reaktion zwischen Tantalhalogeniden bzw. Tantaloxihaloge- niden, bevorzugt Tantalchlorid, Methan und Wasser- Stoff vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper wäh- rend der Abscheidung in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Leuchtkörpermaterial abgeschieden wird, je höher die Temperatur des Leuchtkörpers an der betreffenden Stelle ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus einem der Metalle Wolfram, Osmium, Rhenium, Tantal, Niob, Zirkonium oder Hafnium die Variation des Querschnitts zur Glättung des Temperaturprofils durch Abtrag des Metalls durch Halogene, Pseudohalogene, Sauerstoff bzw. deren Verbindungen z.B. mit Wasserstoff vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während des Abtragsprozesses in einem solchen Temperaturbereich betrieben wird, dass um so mehr Material abgetragen wird, je geringer die Temperatur ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Kohlenstoff die Variati- on des Querschnitts zur Glättung des Temperaturprofils durch Abtrag von Kohlenstoff durch Halogene, Wasserstoff, Schwefel, bzw. deren Verbindungen vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während des Abtragsprozesses in einem solchen Temperaturbereich be- trieben wird, dass um so mehr Material abgetragen wird, je geringer die Temperatur ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Querschnitts zur Glättung des Temperaturpro- fils durch eine Reaktion des Metallcarbids mit einem Halogenwasserstoff vorgenommen wird, wobei der Leuchtkörper während des Abtragsprozesses in einem solchen Temperatur-Bereich betrieben wird, dass um so mehr Material abgetragen wird, je geringer die Temperatur ist.
17. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Leuchtkörpers aus Metallcarbid, nitrid oder borid bzw. einer Legierung verschiedener -carbide, -nitride und -boride, zunächst der Querschnitt des aus dem Ausgangsmetall bestehenden Leuchtkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche entweder durch Abscheidungs- oder Abtragsreaktionen zur Nivellierung des Temperaturgradienten moduliert wird, und danach das Metall durch Carburierung, Nitrierung oder Borierung in das gewünschte Leuchtkörpermaterial umgewandelt wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Leuchtkörper als Blechstreifen ausgeführt ist, oder als sonstiges planares Filament mit rechteckigem Querschnitt .
19. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtkörpers nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Leuchtkörper ein umsponnener Draht ist.
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