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WO2007063008A2 - Halogenglühlampe mit carbidhaltigem leuchtkörper - Google Patents

Halogenglühlampe mit carbidhaltigem leuchtkörper Download PDF

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WO2007063008A2
WO2007063008A2 PCT/EP2006/068738 EP2006068738W WO2007063008A2 WO 2007063008 A2 WO2007063008 A2 WO 2007063008A2 EP 2006068738 W EP2006068738 W EP 2006068738W WO 2007063008 A2 WO2007063008 A2 WO 2007063008A2
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WO
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filament
incandescent lamp
metal
carbon
luminous body
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/068738
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English (en)
French (fr)
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WO2007063008A3 (de
Inventor
Axel Bunk
Matthias Damm
Georg Rosenbauer
Original Assignee
Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH filed Critical Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
Publication of WO2007063008A2 publication Critical patent/WO2007063008A2/de
Publication of WO2007063008A3 publication Critical patent/WO2007063008A3/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H01K1/04—Incandescent bodies characterised by the material thereof
    • H01K1/10—Bodies of metal or carbon combined with other substance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K3/00—Apparatus or processes adapted to the manufacture, installing, removal, or maintenance of incandescent lamps or parts thereof
    • H01K3/02—Manufacture of incandescent bodies

Definitions

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

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Abstract

Halogenglühlampe 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 Kohlenstoffgehalt des Metallcarbids kleiner ist als es einer vollständigen Carburierung entsprechen würde, wobei eine vollständige Carburierung so zu verstehen ist, dass sie zur Entstehung von Metallcarbiden führt, bei denen die Anzahl der Metallatome und der Kohlenstoff atome in einem ganzzahligen stöchiometrischen Verhältnis zueinander stehen.

Description

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 Allgemeinbe¬ leuchtung 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 hochschmelzenden Keramiken wie Tantalkarbid. Siehe hierzu z.B. Becker, Ewest: „Die physikalischen und strahlungstechnischen Eigenschaften des Tantalkarbids", Zeitschrift für technische Physik, Nr. 5, S. 148-150 und Nr. 6, S. 216 - 220 (1930)). Die Steigerung der Effizienz ergibt sich aus der Tatsache, dass der Glühkörper aus Me- tallcarbid wegen des, verglichen mit den reinen Metallen, viel höheren Schmelzpunkts bei höherer Temperatur betrie¬ ben werden kann: Schmelzpunkt für TaC ist 388O0C gegen¬ über 341O0C für Wolfram. Zudem ist verglichen mit Wolfram der Emissionskoeffizient der Carbide im sichtbaren Be¬ reich größer als im infraroten Spektralbereich. Insbesondere Tantalkarbid ist ein besserer „Selektivstrahler" als Wolfram.
Ein Problem beim Betrieb von Tantalkarbid-Leuchtkörpern bei hohen Temperaturen stellt die Entkarburierung dar; diese führt zur Bildung von Subcarbiden mit höherem spezifischem Widerstand und niedrigerem Schmelzpunkt und da¬ mit zur raschen Zerstörung des Leuchtkörpers. Besonders problematisch dabei ist, dass der Kohlenstoff-Dampfdruck über dem Tantalcarbid relativ groß ist. Bei derselben Be¬ triebstemperatur ist die Verdampfungsrate in g cm"2 s"1 des Kohlenstoffs über Tantalkarbid um mehr als eine Grö¬ ßenordnung größer als diejenige des Wolframs über einer Wolframoberflache . Zu Details hinsichtlich den Verdamp¬ fungsgeschwindigkeiten verschiedener hochschmelzender Karbide siehe L. Eberle „Verdampfungsverhalten hochschmelzender Karbide für thermionische Stromerzeuger", Die Atomwirtschaft Mai 1964, Seite 220 - 226. Bei einer Temperatur von 3000 K ist der Kohlenstoff- Gleichgewichtsdampfdruck über Tantalcarbid um mehr als eine Größenordnungen größer als derjenige des Wolframs über einer Wolframoberflache . Hinzu kommt, dass zur vol¬ len Nutzung der vorteilhaften Eigenschaften des TaC die- ses bevorzugt bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden muss als das Wolfram, wobei dann - zumindest bei Abwesenheit regenerativer Kreisprozesse - auch die Ver¬ dampfung des Tantals nicht mehr zu vernachlässigen ist bzw. sogar stärker wird als diejenige des Kohlenstoffs, vgl. das zuletzt angegebene Literaturzitat. Die starke Kohlenstoffverdampfung führt - wenn keine geeigneten Ge- genmaßnahmen getroffen werden - außerdem zu einer raschen Kolbenschwärzung, welche den Lichtaustritt durch den Glaskolben verhindert.
Zur Lösung bzw. Zurückdrängung dieses Problems finden sich in der Literatur mehrere Ansätze.
Eine in US 3 405 328 erwähnte Möglichkeit besteht darin, den Kohlenstoff im Überschuss in dem Tantalkarbidleucht- körper zu lösen. Der nach außen vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff, der sich an der Kolbenwand nieder- schlägt, wird dann durch Diffusion aus dem Innerem heraus ersetzt. Der Kolbenradius ist so groß, so dass der sich abscheidende Kohlenstoff über eine so große Fläche ver¬ teilt wird, dass dies meist akzeptiert werden kann. An¬ sonsten können zur Zurückdrängung der Kolbenschwärzung auch Kreisprozesse eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit stellt der Zusatz von Kohlen¬ stoff und Wasserstoff zum Füllgas dar, siehe z.B. US 2 596 469. Dabei entsteht in der Lampe ein Kohlenstoff- Kreisprozess . Der bei hohen Temperaturen abdampfende Koh- lenstoff reagiert bei niedrigeren Temperaturen mit Was¬ serstoff zu Kohlenwasserstoffen, welche durch Konvektion und/oder Diffusion zur Wendel zurücktransportiert werden, wo sie sich wieder zersetzen. Der dabei entstehende Kohlenstoff wird wieder an die Wendel angelagert. Für einen funktionierenden Kohlenstoff-Kreisprozess muss meist ein Wasserstoff-Überschuss eingesetzt werden, um die Abschei¬ dung von Kohlenstoff (in Form von Ruß) im Lampengefäß zu vermeiden. Z.B. muss bei Verwendung von Methan oder Ethen der Partialdruck des Wasserstoffs um ca. einen Faktor 2 größer sein als derjenige des Kohlenwasserstoffs. Ande- -A-
renfalls kommt es zur Abscheidung von Kohlenstoff im Lam¬ pengefäß. Da die notwendigen Konzentrationen von Kohlenstoff und Wasserstoff meist im Bereich bis zu einigen Prozent liegen müssen, wirkt sich der hohe Anteil an Was- serstoff negativ auf die Effizienz der Lampe aus.
Zur Verringerung des Effizienzverlusts wurden neben dem Wasserstoff auch Halogene zur Reaktion mit dem Kohlenstoff eingesetzt, siehe z.B. US 3 022 438. Der vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff reagiert in den kal- ten Bereichen nahe der Kolbenwand mit z.B. Chloratomen zu Verbindungen wie CCl4, wodurch eine Abscheidung des Kohlenstoffs an der Wand vermieden wird. Die Kohlenstoff- Halogen-Verbindungen werden durch Transportprozesse wie Konvektion und Diffusion in Richtung des Glühkörpers zu- rück transportiert, wobei sie sich im wärmeren Bereich unter Freisetzung des Kohlenstoffs zersetzen. Der Kohlenstoff kann wieder an die Wendel angelagert werden. Um den Kohlenstoff durch Halogen und Wasserstoff an einer Ab¬ scheidung zu hindern, muss gemäß US 3 022 438 sowohl die Menge des insgesamt in die Lampe eingebrachten Halogen- Elements als auch die Menge des Elements Wasserstoff je¬ weils größer sein als die insgesamt in der Gasphase vor¬ handene Menge an Kohlenstoff. Da sich die Kohlenstoff- Chlor- und Kohlenstoff-Brom-Verbindungen nur bei Tempera- turen um oder unter ca. 15O0C bilden können, ist die Anwendung des Kohlenstoff-Halogen-Kreisprozesses auf Lampen mit relativ großem Kolbenvolumen und damit Kolbentemperaturen um oder unter 2000C beschränkt. Der Kohlenstoff- Halogen-Kreisprozess auf Basis von Chlor oder Brom funk- tioniert sicherlich nicht mehr bei Temperaturen oberhalb 300 0C und entsprechend kleinen Abmessungen des Kolbens. In der DE-A 10358262 wird beschrieben, wie durch Überlagerung zweier Kreisprozesse sowohl Kohlenstoff als auch Tantal zum Leuchtkörper zurück transportiert werden und somit eine Abscheidung dieser beiden Elemente auf der Kolbenwand verhindert wird.
Eine in der Anmeldung DE-A 10 2004 052 044.5 beschriebene Möglichkeit, die schnelle Decarburierung eines Tantalkar¬ bid - Leuchtkörpers zu verhindern, besteht darin, diesen in einer von außen so stark mit Kohlenstoff angereicher- ten Atmosphäre zu betreiben, dass eine Verarmung des Leuchtkörpers an Kohlenstoff vermieden wird. Bevorzugt wird der Leuchtkörper in einer Atmosphäre betrieben, in der der Kohlenstoff-Dampfdruck etwa dem Gleichgewichtsdampfdruck des Kohlenstoffs über dem Tantalcarbid ent- spricht. Dies wird erreicht, indem permanent Kohlenstoff von einer Quelle in eine Senke transportiert wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer gattungsgemäßen Lampe die Lebensdauer zu erhöhen und die Kolbenschwärzung zu reduzieren.
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, Änderungen am Grundmaterial so durchzuführen, dass der Schmelzpunkt er- höht und der Dampfdruck erniedrigt werden. Diese Maßnahmen wirken sich in jedem Fall in Richtung einer Erhöhung der Lebensdauer bzw. einer Reduktion der Kolbenschwärzung aus . Es hat sich gezeigt, dass der Schmelzpunkt der Carbide TaC, HfC und ZrC ansteigt, wenn diese leicht an Kohlen¬ stoff verarmen und somit unterstöchiometrische Carbide vorliegen. Während z.B. der Schmelzpunkt des nahezu stö- chiometrischen Tantalcarbids TaC0, 98 im Bereich zwischen 383O0C und 388O0C liegt, wird der Schmelzpunkt von TaC0, 8 bei etwa 40000C bestimmt. Analog findet man für den Schmelzpunkt des nahezu stöchiometrischen HfCo, 97 einen Bereich von 37000C - 376O0C, während der Schmelzpunkt von HfC0, 9 zu 382O0C bestimmt wird. Eine Erhöhung des Schmelz¬ punktes ist ebenfalls mit einer Erniedrigung des Kohlen¬ stoff-Dampfdrucks verbunden. Es hat sich daher als vor¬ teilhaft herausgestellt, für das Material des Leuchtkör¬ pers der Metallcarbide MeC (Me=Ta, Zr, Hf) einen un- terstöchiometrischen Kohlenstoffgehalt zu verwenden, bevorzugt im Bereich zwischen x= 0,5 und x=0,95. Besonders bevorzugt wird für TaCx 0,75 < x < 0,85, für HfCx 0,85 < x < 0,95 gewählt .
Leuchtkörper aus Metallcarbiden werden meist durch Carbu- rierung der jeweiligen Metalle hergestellt, vgl. z.B. G. Hörz, „Aufkohlung und Entkohlung von Niob und Tantal", Metall 27, Heft 7 (Juli 1973), Seiten 680 - 687. Herge¬ stellt werden können Lampen mit Leuchtkörpern aus un- terstöchiometrischen Metallkarbiden z.B. durch eine un- vollständige Carburierung der jeweiligen Metalle. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Kohlenstoffgehalt in den jeweiligen Leuchtkörpern vor deren Gebrauch bei voller Betriebstemperatur durch Homogenisierung bei einer niedrigeren Temperatur ausgeglichen wird, ansonsten be- steht bei z.B. Verwendung von Drähten der Leuchtdraht an der Außenseite aus dem möglicherweise sogar mit Kohlen- stoff übersättigtem Metallcarbid, während sich in der Mitte des Drahtes noch eine „Seele" aus dem niedriger schmelzenden Subcarbid Ta2C oder sogar noch mehrere Bereiche aus den Phasen des Ta2C bzw. Ta befinden, vgl. z.B. Okoli, R. Haubner, B. Lux, „Carburization of tung- sten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition", Surface and Coatings Technology, Al_ (1991), 585 - 599. Die Homogenisierung erfolgt bevorzugt bei Temperaturen, bei denen einerseits die Kohlenstoff- Abdampfung noch keine Rolle spielt, andererseits jedoch die Geschwindigkeit der Diffusion von Kohlenstoff in TaC bzw. Ta2C bzw. Ta schon hinreichend hoch ist. Bevorzugt eignet sich für die Homogenisierung ein Temperatur- Bereich zwischen 2400 K und 3000 K, bevorzugt bis 2800 K.
In diesem Zusammenhang soll kurz auf den Ausfallmechanismus von Lampen mit Leuchtkörpern aus einem Metallcarbid eingegangen werden. Der Ausfallmechanismus folgt meist zumindest prinzipiell dem „Hot-Spot-Modell" wie für Lam¬ pen mit Wolfram-Wendel beschrieben z.B. in H. Hörster, E. Kauer, W. Lechner, „Zur Lebensdauer von Glühlampen", Philips techn. Rdsch. ^2_, 165-175 (1971/72) . Bedingt durch eine kleine „Störung" entlang des Leuchtkörperdrahtes, z.B. durch einen erhöhten Leistungseintrag an einer Korngrenze, einer geringen lokalen Änderung der Materialda- ten, einer lokal begrenzten Verringerung des Drahtdurchmessers, einer lokalen Verunreinigung im Leuchtdraht, einem zu geringen Abstand zweier Windungen bei Gebrauch von Wendeln usw. kommt es zu einer geringfügigen lokal begrenzten Erhitzung einer Stelle gegenüber der Umgebung (lokale Begrenzung auf max . 2 Windungen) . Die lokale Er¬ höhung der Temperatur bewirkt, dass von dieser Stelle verstärkt Material abdampft und diese Stelle somit bevor¬ zugt gegenüber der Umgebung verjüngt wird, wodurch der Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Da die Erhöhung des Widerstands auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, än- dert sich dadurch der Gesamtwiderstand des Leuchtkörpers praktisch nicht oder wird lediglich um einen erheblich geringeren Bruchteil erhöht als der Widerstand an der be¬ trachteten Stelle. An der eng begrenzten Stelle mit leicht erhöhtem Widerstand erfolgt ein erhöhter Leis- tungseintrag, weil derselbe bzw. nur vergleichsweise ge¬ ringfügig erniedrigte Strom durch diese jetzt einen er¬ höhten Widerstand aufweisende Stelle fließt. Dadurch wird die Temperatur weiter erhöht, was wiederum die Verjüngung dieser Stelle gegenüber der Umgebung beschleunigt usw.. Auf die beschriebene Weise beschleunigt sich die Ausbil¬ dung einer dünnen Stelle von selbst und führt schließlich zum Durchbrennen des Leuchtdrahtes an dieser Stelle. Bei Lampen aus Metallcarbiden wie Tantalcarbid kommt als wei¬ terer Effekt gegenüber Glühkörpern aus Wolfram hinzu, dass das bei der Kohlenstoff-Verdampfung entstehende Sub- carbid Ta2C einen um einen Faktor von mehr als 3 höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als TaC, vgl. z.B. S, Okoli, R. Haubner, B. Lux, „Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure dia- mond deposition", Surface and Coatings Technology, 47 (1991), 585 - 599. Dieser Einfluss führt dazu, dass sich der destruktive Mechanismus bei Leuchtkörpern aus Tantal¬ carbid noch schneller aufschaukelt als bei solchen aus Wolfram.
Da der partiell entkohlte Leuchtkörper bereits insgesamt einen gegenüber voll aufgekohltem Metallcarbid erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, ist somit die Differenz zum Maximum des spezifischen elektrischen Widerstands des Metallcarbids MeCx (meist bei ca. x « 0,5) kleiner als für das voll aufgekohlte Metall-Carbid MeC. Damit ist beim unvollständig aufgekohlten bzw. par¬ tiell entkohlten Metallcarbid MeCx mit x < 0,95 die maxi¬ mal mögliche Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands bei der Bildung einer heißen Stelle kleiner als bei vollständig aufcarburiertem Metallcarbid. Die durch die Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstands bei der Entcarburierung einer gegenüber der Umgebung heißeren Stelle bedingte Beschleunigung der Hot-Spot-Bildung ist somit bei dem partiell aufgekohltem bzw. unvollständig aufgekohltem Metallcarbid geringer.
Zur Vermeidung der Hot-Spot-Bildung ist es günstig, die Oberfläche des Leuchtkörpers durch chemische Abtragspro¬ zesse zu „glätten". Daher ist es vorteilhaft, zur Erzeu¬ gung von Leuchtkörpern aus Metallcarbiden mit einem un- terstöchiometrischen Gehalt an Kohlenstoff den Leuchtkör- per zunächst vollständig zu carburieren und anschließend wieder partiell zu decarburieren . Bei der Decarburierung werden Konzentrationsunterschiede aufgebaut, d.h. der Leuchtkörper (z.B. der Leuchtdraht) verarmt an der Außenseite an Kohlenstoff. Vor Inbetriebnahme des Leuchtkör- pers sollte daher eine Homogenisierung stattfinden, d.h. durch eine Diffusion des Kohlenstoffs von innen nach außen sollen Konzentrationsunterschiede ausgeglichen wer¬ den. Diese Homogenisierung sollte bevorzugt bei Tempera¬ turen zwischen 2300 K und 3000 K vorgenommen werden, d.h. bei Temperaturen, bei denen die Verdampfung von Tantal und Kohlenstoff noch hinreichend langsam, andererseits die Diffusion von Kohlenstoff schon hinreichend schnell ist (Ziel: eine möglichst kurze Verfahrenszeit) .
Bei der Decarburierung sollten bevorzugt chemische Reaktionssysteme zum Einsatz kommen, bei denen lediglich gas- förmige Reaktionsprodukte entstehen , die den aus dem Me- tallcarbid entfernten Kohlenstoff enthalten. Dabei sollte das chemische Gleichgewicht bevorzugt stark auf der Seite der den entfernten Kohlenstoff tragenden gasförmigen Reaktanden liegen. Dadurch wird gewährleistet, dass bei der chemischen Decarburierung - anders als bei der zur Hot-Spot-Bildung führenden Verdampfung - sich keine Schwachstellen im Leuchtkörper ausbilden. Daher sollte die Temperatur bei der chemischen Decarburierung bevorzugt in einem solchen Temperaturbereich liegen, bei dem
a) die Verdampfung von Tantal und Kohlenstoff noch kei¬ ne große Rolle spielen, andererseits aber die Diffu¬ sion von Kohlenstoff aus dem Inneren heraus zur 0- berfläche des Leuchtkörpers bereits so schnell er¬ folgt, dass aus dem Inneren heraus Kohlenstoff nach- geliefert werden kann und die Decarburierung nicht nach Abreaktion einer dünnen Schicht an der Oberfläche zum Erliegen kommt, und
b) das Gleichgewicht im gesamtem relevanten Temperaturbereich ganz auf der Seite der den Kohlenstoff tra- genden Reaktionsprodukte liegt und die Reaktion mög¬ lichst für alle Temperaturen im Bereich zwischen der maximalen Temperatur am Leuchtkörper bei der Entkohlung und einer um ca. 500K niedrigeren Temperatur gleich schnell abläuft; damit erfolgt der chemische Angriff nicht bevorzugt auf heißeste Stellen; son- dem der gesamte Leuchtkörper wird gleichmäßig che¬ misch angegriffen; dünne heiße Stellen genauso schnell wie dickere kältere. Bei dieser chemischen Reaktion sollte kein (oder nur in geringem Maße) Tantal abgetragen werden.
Ein Beispiel für ein solches chemischen Reaktionssystem stellt das System Tantal-Carbid - Sauerstoff dar. Hier wirkt der Sauerstoff stark decarburierend auf das Metall- Carbid ein, z.B: 2 TaC + 1/2O2 -> Ta2C + CO
Das Gleichgewicht liegt für alle Temperaturen, bei denen die Diffusion des Kohlenstoffs durch das TaC hinreichend schnell erfolgt - d.h. bei ca. T > 2200 K - und anderer¬ seits die Verdampfung von Kohlenstoff und Tantal noch hinreichend klein sind - d.h. ca. bei T < 3000 K, kom¬ plett auf der Seite des Kohlenmonoxid. Da die Reaktion bei den hohen Temperaturen auch hinreichend schnell ab¬ läuft, werden alle Stellen des Leuchtkörpers gleichmäßig stark chemisch „geätzt". Statt reinem Sauerstoff können auch andere Sauerstoff tragende Verbindungen, welche sich bei den hohen Temperaturen hinreichend schnell zersetzen und Sauerstoff freisetzen, als Precursor verwandt wer¬ den, z.B. Lachgas N2O, Kohlendioxid CO2, auch organische Verbindungen wie Formaldehyd, Aceton. Reines Kohlenmono- xid eignet sich naturgemäß nicht, weil hier der Sauer¬ stoff bereits fest abgebunden ist. Eine Bildung von Tan¬ taloxiden findet nicht bzw. nur untergeordnet statt, weil die Stabilität des CO bei den hier relevanten hohen Temperaturen viel größer ist. An den kälteren Wendelabgängen können sich Tantaloxide bilden. Diese werden in dem in der Regel Verbindungen mit Kohlenstoff enthaltenden Füll- gas bei höheren Temperaturen wieder unter Bildung von Kohlenmonoxid reduziert. Die Existenz von Kohlenmonoxid im Füllgas hat keine negativen Auswirkungen auf den bei hohen Temperaturen betriebenen Leuchtkörper.
Bei der Entkohlung sollte die Konzentration des die Entkohlung bewirkenden Stoffes bevorzugt so klein gewählt werden, dass die Geschwindigkeit der Entkohlung allein durch die Anzahl der pro Zeiteinheit auf die Oberfläche auftretenden Atome bzw. Moleküle dieses Stoffes beispielsweise Sauerstoff-Atome, die evtl. aus dem Zer¬ fall eines Precursors entstanden sind - bestimmt wird. Findet bei zu großen Konzentrationen des zur Entkohlung eingesetzten Reagens eine vollständige Entkohlung an der Außenseite des Leuchtkörpers statt, so entsteht auf der Außenseite des Leuchtkörpers eine Schicht aus Tantal, welche ihrerseits wieder Schichten aus Tantal- Subcarbiden umhüllt, die ihrerseits wieder das Tantalcar- bid umfassen. Z.B. ein Leuchtdraht besteht dann aus einer Seele aus Tantalcarbid, welche von einem Mantel aus Tan- talsubcarbid (bzw. evtl. zwei Phasen von Tantalsubcarbi- den) umfasst wird. Das Tantalsubcarbid wird von einem Mantel aus Tantal umhüllt. Ist die Entkohlung so weit fortgeschritten, dass sich an der äußeren Oberfläche bereits eine Schicht aus Tantal gebildet hat, so wird die Geschwindigkeit der Entkohlung von der Diffusion des Kohlenstoffs durch das Tantal bzw. das Tantalsubcarbid be¬ stimmt. Da der Diffusionskoeffizient für die Diffusion von Kohlenstoff durch Tantal bzw. Tantalsubcarbid mit steigender Temperatur stark ansteigt, werden dann heißere Stellen bevorzugt entkohlt. Je weiter die Entkohlung fortgeschritten ist, um so höher ist nach der Homogeni- sierung der spezifische elektrische Widerstand. D.h., dass lokal begrenzt heißere Stellen am Leuchtkörper unter diesen Bedingungen bevorzugt entkohlt werden und somit im Lampenbetrieb wegen des folglich hier lokal erhöhten spe- zifischen elektrischen Widerstands mehr Leistung eingetragen wird als in der Umgebung, was zu einer weiteren lokalen Temperaturerhöhung führt und somit die „Hot-Spot" Bildung fördert. Unter diesen Randbedingungen bei der Entkohlung werden somit Temperaturdifferenzen längs des Leuchtkörpers weiter verstärkt. Zudem kommt es bei einer vollständigen Entkohlung der Oberfläche des Leuchtkörpers in vielen Fällen zu einem chemischen Angriff des die Entkohlung bewirkenden Stoffes auf das Tantal und folglich zu einer Verjüngung und Aufheizung der bereits ohnehin heißeren Stellen. Dies ist z.B. bei der Verwendung von Sauerstoff der Fall. Der chemische Angriff des Sauer¬ stoffs auf das Tantal setzt ein, wenn sich kein Kohlen¬ stoff mehr an der Oberfläche des Leuchtkörpers befindet und somit kein CO mehr gebildet werden kann. Um dies zu vermeiden, sollten die Randbedingungen bei der Entkohlung bevorzugt so eingestellt werden, dass der für alle Stel¬ len nahezu gleiche Partialdruck der Sauerstoff-Atome an der Oberfläche des Leuchtkörpers die Geschwindigkeit der Entkohlung bestimmt. D.h. der Entkohlungsgrad sollte durch das nur vergleichsweise gering von der Temperatur abhängige Produkt Z-p-t bestimmt werden (Z: Stoßzahl, p: Partialdruck des Sauerstoffs bzw. der die Entkohlung bewirkenden Substanz, t: Zeit) . In diesem Fall verdoppelt sich z.B. die Geschwindigkeit der Entkohlung, wenn der Partialdruck des Sauerstoffs bzw. der sauerstoffhaltigen Substanz verdoppelt wird. Es muss darauf geachtet werden, dass der sauerstoffhalti¬ ge Precursor, wenn er auf den Leuchtkörper trifft, über weite Temperatur-Bereiche bereits zerfallen ist, weil an¬ derenfalls wieder die Kinetik des Zerfalls des Precursors zu der zu vermeidenden bevorzugten Entkohlung heißerer Stellen führt.
Wird zur Herstellung von unterstöchiometrischen Metall- carbiden das Verfahren der unvollständigen Aufkohlung eingesetzt, so können die in den letzten Absätzen be- schriebenen möglichen Komplikationen nicht auftreten. Bei diesem Verfahren werden die heißesten Stellen am weitesten aufgekohlt und weisen daher nach der Homogenisierung einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand auf als die Umgebung. Dadurch werden bestehende Temperaturun- terschiede eher ausgeglichen; allerdings muss man auf die glättende Wirkung bei der Einwirkung der entkohlenden Substanz verzichten. Die Glättung kann ggf. in einem weiteren Verfahrensschritt durchgeführt werden, z.B. in ei¬ ner nachgelagerten Behandlung mit Halogen, Sauerstoff, usw.
Die Verfahrensführung bei der unvollständigen Aufkohlung wird bevorzugt so ausgelegt, dass
die Einwirkzeit des zur Carburierung benutzten Gasgemisches gegenüber der vollständigen Carburierung so verkürzt wird, dass sich der Aufkohlungsgrad im Tantal- carbid im angegebenen Zielbereich befindet.
der Kohlenstoffgehalt im zur Aufkohlung benutzen Gas (vorteilhaft CH4 / H2 - Gemisch, möglich sind aber auch andere Kohlenwasserstoff - Wasserstoff - Inert- gas Gemische) herabgesetzt wird. - die Temperatur des aufzukohlenden Drahtes erniedrigt wird, (vorteilhaft von typischerweise 2900 K - 3100 K auf ca. 2600 K - 2800 K) . Die Absenkung der Leuchtkörpertemperatur kann zum einen über eine geringere Leistungs- einbringung erfolgen aber auch bei gleicher Leistungszufuhr über eine erhöhte Wärmeableitung über das Aufkoh- lungsgas .
Der bei der unvollständigen Aufkohlung zur Folge erhöhte Wasserstoffgehalt im Metallcarbid (z.B. Tantalcarbid ) kann zu einer verstärkten Abgabe von Wasserstoff im Lampenbetrieb führen. Diese Wasserstoffabgäbe im Lampenbe¬ trieb führt zu einer Verringerung der Schwärzung und zu einer Erhöhung der Lebensdauer im Lampenbetrieb. Der vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff reagiert durch den bei höheren Temperaturen herausgelösten Wasserstoff nahe der Kolbenwand zu Kohlenwasserstoffen (insbesondere Me¬ than) , das dann wieder bei höheren Temperaturen aufgespalten wird und so den bereits eingangs erwähnten Koh- lenstoff-Wasserstoff-Kreisprozess bildet. .
Bei der unvollständigen Aufkohlung wirkt sich eine Erhöhung des Druckes des Wasserstoffreichen Aufkohlungsmedi- ums zudem positiv aus (von ca. typischerweise 1 mbar auf ca. 1000 mbar) . Durch die höhere Wärmeleitung - bedingt durch den höheren Druck - im Wasserstoffreichen Aufkoh- lungsgas (z.B. CH4 / H2 -Gemisch) liegt eine höhere Glas¬ temperatur in der aufzukohlenden Lampe vor, was zu einer Begünstigung der Wasserstoffdiffusion in den vorhandenen Lampenkolben (bevorzugt aus Quarzglas) führt. Dadurch kann zumindest teilweise verhindert werden, dass später im Lampenbetrieb der für den C-H-Kreisprozess notwendige Wasserstoff aus dem Füllgas zu schnell im Quarzglas ab- sorbiert wird. Neben dem Glas können auch die metalli¬ schen Bauteile (z.B. aus uncarburiertem Tantal bestehender Wendelabgang nahe der Quetschkante in Figur 1, Gestellteile , Überzugswendeln, Halter, usw. , eventuell auch angeschweißte Katalysatoren, wie z.B. in DE 10 2004 059 174 1 beschrieben) aufgrund des höheren Wasserstoff- Partialdruckes auch mehr Wasserstoff lösen bzw. als Me¬ tallhydrid binden. Diese stark mit Wasserstoff beladenen Metalle absorbieren dann später im Lampenbetrieb weniger Wasserstoff bzw. geben evtl. sogar Wasserstoff ab und tragen somit dazu bei, dass der Wasserstoffgehalt während des Lampenbetriebs stabilisiert oder leicht erhöht wird und somit das Eintreten der Kolbenschwärzung hinausgezögert oder verhindert wird. Bei Verwendung eines Drucks von beispielsweise 1 bar bei der Aufkohlung liegt der Wasserstoff-Partialdruck bei der Aufkohlung näher am späteren Wasserstoff-Partialdruck in der abgeschlossenen Lampe im Lampenbetrieb. Damit entspricht das sich während der Aufkohlung einstellende Gleichgewicht zwischen Was- serstoffadsorption bzw. -absorption und Wasserstoffde- sorption weitgehend den Verhältnissen in der abgeschlossenen Lampe, d.h. später im Lampenbetrieb ist der Wasserstoffpartialdruck in der Lampe stabiler, weil die Beladung der einzelnen Bauteile mit Wasserstoff den Gleichge- wichtsverhältnissen der gefüllten Lampe näher kommt.
Statt Sauerstoff kann zur Entkohlung auch Schwefel verwendet werden, z.B. in Form von Schwefelwasserstoff H2S, Schwefelkohlenstoff CS2 oder auch Mercaptanen. Im rele¬ vanten Temperaturbereich von ca. 2200 K < T < 3000 K ent- steht die sehr stabile Verbindung CS, durch welche der Kohlenstoff abgeführt werden kann. Stark vereinfacht kommt es somit zu folgenden Reaktio¬ nen :
H2S -> S + H2 2 TaC + S -> Ta2C + CS Ein Zerfall von CS tritt erst bei Temperaturen deutlich oberhalb 3000 K auf. Auch hier kommt es zu keiner Reakti¬ on zu Tantalsulfiden zumindest bei den betrachteten hohen Temperaturen im Leuchtkörper oberhalb 2200K. Tantalsulfide entstehen an den kälteren Wendelabgängen.
Die Verwendung von Chlor oder Brom ist in dieser Weise nicht möglich, weil Kohlenstoff-Chlor und Kohlenstoff- Brom Verbindungen im relevanten Temperaturbereich nicht mehr existent sind, d.h. diese Verbindungen bei deutlich niedrigeren Temperaturen meist unter 1000 K bereits in die Elemente zerfallen sind. Da bei so niedrigen Tempera¬ turen die Geschwindigkeiten der Diffusion durch das Me- tallcarbid sehr gering sind, wird nur die äußere Schicht des Leuchtkörpermaterials angegriffen. Zudem entstehen bei den Temperaturen, bei denen CCl4, CBr4 usw. gebildet werden (d.h. z.B. Temperaturen meist deutlich unterhalb 1000 K) , auch Metallhalogenide, z.B. Tantalhalogenide. Durch den dadurch bedingt auftretenden gleichzeitigen Abtrag von Kohlenstoff und Tantal gelingt es jedoch, die Leuchtkörperoberfläche zu „glätten" bzw. zu „homogenisie- ren" . Es hat sich herausgestellt, dass die Behandlung der Drahtoberfläche gewinnbringend ist, wenn zwischendurch eine höhere Temperatur im Bereich zwischen ca. 2400 K und 3000 K angewandt wird, bei der es zu schnellen Diffusi¬ onsvorgängen im Draht kommt. D.h. bei Verwendung von TaC als Leuchtkörpermaterial, dass eine Temperatur von ca. typischerweise ca. 500 K - 800 K zur Reaktion mit dem Chlor verwandt wird, zwischenzeitlich für kurze Zeiten (ca. 5s - 20 s) jedoch die Temperatur des Leuchtkörpers auf 2400 K und 3000 K erhöht wird. Dadurch kann auch ei¬ ne partielle Decarburierung erreicht werden. Bei der Ver- wendung von Fluor bilden sich vor allem Tantalfluoride.
Analog lässt sich prinzipiell auch Wasserstoff zur Ent¬ kohlung verwenden. Wasserstoff reagiert mit Kohlenstoff zu gasförmigen Kohlenwasserstoffen nur bei Temperaturen deutlich unter 1000 K, d.h. bei Temperaturen, bei denen die Reaktion an der Oberfläche stehen bleibt, weil der Kohlenstoff wegen der viel zu geringen Diffusionsge¬ schwindigkeit nicht mehr von innen nachgeliefert werden kann. Durch eine kurzzeitige vorübergehende Aufheizung des Leuchtkörpers auf Temperaturen im Bereich zwischen 2400 K und 3000 K wird dem Kohlenstoff wieder die Diffu¬ sion aus dem Inneren an die Oberfläche ermöglicht. Danach findet dann wieder bei niedrigerer Temperatur die Entkohlung statt. D.h. durch alternierenden Betrieb des Leuchtkörpers bei niedrigen Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und höheren Temperaturen im Bereich zwischen 2400 K und 3000 K werden abwechselnd eine Entkohlung auf der Oberfläche des Leuchtkörpers und eine Nachlieferung des Kohlenstoffs aus dem Inneren durchgeführt. Bei dieser Verfahrensführung treten naturgemäß längere Verfahrens- zeiten auf als bei der Verwendung von Sauerstoff oder Schwefel. Ein Vorteil dieser Verfahrensführung besteht darin, dass bei Wahl einer „geeigneten" (bei der die Ent- kohlungsreaktion bereits hinreichend schnell verläuft) mittleren Temperatur des Leuchtkörpers und hinreichend hohen Partialdrücken an Wasserstoff (welche ebenfalls da¬ zu beitragen, dass die Reaktion hinreichend schnell ver- läuft) heißere Stellen weniger stark angegriffen werden als kältere, weil das Gleichgewicht mit steigender Tempe¬ ratur in die Richtung der Kohlenwasserstoff- Zerfallsprodukte verschoben wird.
Der Entkohlungsgrad lässt sich einfach und zerstörungs¬ frei z.B. durch Messung des spezifischen elektrischen Widerstands von partiell entkohlten im Vergleich zu voll aufgekohlten Wendeln bestimmen, vgl. z.B. J.R.Cooper and R. L. Hansler, „Variation of Electrical Resistivity of cu- bic tantalum carbide with composition", Journal of Chemical Physics 3_9, 248-249 (1963), oder G. Santoro, „Varia¬ tion of Some Properties of Tantalum Carbide with Carbon Content", TRANSACTIONS OF THE METALLURGICAL SOCIETY OF AIME, vol. 227, 1361 -1368 (1963). Der Einsatz aufwändi- gerer - z.B. spektroskopischer - Methoden - ggf. nach chemischen Umsetzungen - ist ebenfalls möglich, vgl. z.B. die zuletzt angegebene Literaturstelle bzw. die o.g. Ar¬ beit von Hörz .
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Aus- führungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :
Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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 gewedelter, axial angeordneter Draht aus TaC, dessen ungewendelte Enden 14 quer zur Lampenachse weitergeführt sind. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 5 mm. Die Wendelenden 14 sind anschließend parallel zur Lampenachse abgebogen und bilden dort die inneren Stromzuführungen 6 als integrale Verlängerung. Die Stromzuführungen 6 sind mindestens über einen Teil ihrer ge- samten Länge mit einer Überzugswendel oder mit einer Be- schichtung 8, z.B. aus Kohlenstoff, Rhenium, Osmium, oder Tantalborid, versehen, um die mechanische Stabilität an der Quetschkante zu erhöhen.
Die aus Tantalcarbid bestehende Glühwendel der schema- tisch in Figur 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weitgehend einer auf dem Markt erhältlichen Niedervolt-Halogenglühlampe entspricht, ist durch Carburie- rung einer aus Tantaldraht (Durchmessers 125 μm) gewi¬ ckelten Wendel (6 Windungen) entstanden. Zur Entkohlung wurde der TaC Leuchtkörper in der Stängellampe durch Anlegen einer äußeren Spannung auf ca. 3000 K erhitzt. Als entkohlendes Reagens wird ein Inertgas wie Krypton im Druck-Bereich zwischen 10 mbar und 30 mbar sowie einem Zusatz von N2O im Konzen-trationsbereich zwischen 50 ppm und 200 ppm gewählt . Wählt man für die Einwirkzeit die¬ ses zur Entkohlung eingesetzten Gases eine Zeit im Bereich zwischen 2 Minuten und 8 Minuten, so gelangt man in den Bereich geeigneter Entkohlungsgrade . Bei Verwendung von Xenon als Grundgas, zu dem noch Wasserstoff und HaIo- gen enthaltende Substanzen beigefügt werden, weist die Lampe bei Betrieb an 13 V eine Leistungsaufnahme von ca. W auf, wobei die Farbtemperatur charakteristischerwei¬ um 3500 K liegt.

Claims

Ansprüche
1. Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper und mit Stromzuführungen, die den Leuchtkörper haltern, wobei ein Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben vakuumdicht eingebracht ist, wobei der Leucht- körper ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des Metallcarbids kleiner ist als es einer vollständigen Carburierung entsprechen würde, wobei eine vollständige Carburie- rung so zu verstehen ist, dass sie zur Entstehung von Metallcarbiden führt, bei denen die Anzahl der Metallatome und der Kohlenstoffatome in einem ganzzahligen stöchiometrischen Verhältnis zueinander stehen.
2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass die Füllung Halogen enthält.
3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, der Leuchtkörper aus Tantalcarbid TaCx mit x<l besteht, wobei der bevorzugte Kohlenstoffgehalt im Tantalcarbid TaCx durch 0,5 < x < 0,95 und besonders bevorzugt durch 0,75 < x < 0,85 gegeben ist.
4. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuσhtkörper aus Hafniumcarbid HfCx besteht, wobei der bevorzugte Kohlenstoffgehalt im Hafniumcarbid HfCx durch 0,5 < x < 0,95 und besonders bevorzugt durch 0,85 < x < 0,95 gegeben ist.
5. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus einer Legierung verschiedener Metallcarbide besteht.
6. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit einem unterstöchiometri- schen Kohlenstoffgehalt hergestellt wurde durch eine zunächst vollständige Carburierung des Metalls, ge¬ folgt von einer Entkohlung durch Einwirkung von Sauerstoff, oder N20, oder C02, oder Aceton, oder ande- ren sauerstoffhaltigen anorganischen oder organischen Substanzen auf den bei Temperaturen oberhalb 2000 K, bevorzugt im Bereich zwischen 2300 K und 3000 K be¬ triebenen Leuchtkörper.
7. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit einem unterstöchiometri- schen Kohlenstoffgehalt hergestellt wurde durch eine zunächst vollständige Carburierung des Metalls, ge¬ folgt von einer Entkohlung durch Einwirkung von Schwefel, oder CS2, oder CS, oder eines Mercaptans, oder anderen schwefelhaltigen anorganischen oder organischen Substanzen auf den bei Temperaturen oberhalb 2000 K, bevorzugt im Bereich zwischen 2300 K und 3000 K betriebenen Leuchtkörper.
8. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper mit einem unterstöchiometri- schen Kohlenstoffgehalt hergestellt wurde durch eine unvollständige Carburierung des Ausgangsmetalls.
9. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffgehalt in der Gasphase der Lampe
(Lampenkolben, Gestellbauteile, Überzugswendel,
Leuchtkörper mit Wendelabgängen) stabiler ist, bevor- zugt eingestellt über einen höheren Partialdruck
(z.B. 1000 mbar anstatt 1 mbar) beim Aufkohlungsver- fahren und damit einer relativ starken Beladung der
Bauteile der Lampe (Lampenkolben, Gestellbauteile,
Überzugswendel, Leuchtkörper mit Wendelabgängen) mit Wasserstoff.
10. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Metallcarbid bestehende Leuchtkörper durch Betrieb in einer halogenhaltigen Atmosphäre geglättet wurde.
11. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer ein Halogen enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande¬ rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K vorbehandelt wurde.
12. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande- rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K decarburiert wurde.
13. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkör- per mit einem unterstöchiometrischen Kohlenstoffge- halt hergestellt wurde durch eine unvollständige Car- burierung des Ausgangsmetalls.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Metallcarbid bestehende Leuchtkörper durch Betrieb in einer halogenhaltigen Atmosphäre geglättet wurde.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer ein Halogen enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande¬ rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K vorbehandelt wurde.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper durch alternierenden Betrieb in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre einerseits bei Temperaturen deutlich unterhalb 1000 K und ande¬ rerseits im Temperaturbereich zwischen 2400 K und 3000 K decarburiert wurde.
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