DE102004014211A1 - Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung geht aus von einer Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Halogenglühlampen, die einen Leuchtkörper aus TaC aufweisen, oder dessen Leuchtkörper TaC als Bestandteil oder Beschichtung enthält.
- Stand der Technik
- Aus vielen Schriften ist eine Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper bekannt. Ein bisher noch ungelöstes Problem ist die Brüchigkeit eines derartigen Leuchtkörpers, die die Lebensdauer stark einschränkt. Zwar besteht eine in
US 3 405 328 erwähnte Möglichkeit darin, den Kohlenstoff im Überschuss in dem Tantalkarbidleuchtkörper zu lösen. Der nach außen vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff, der sich an der Kolbenwand niederschlägt, wird dann durch Diffusion aus dem Innerem heraus ersetzt. - Eine weitere Möglichkeit stellt der Zusatz von Kohlenstoff 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 Kohlenstoff reagiert bei niedrigeren Temperaturen mit Wasserstoff 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 Abscheidung von Kohlenstoff (in Form von Ruß) im Lampengefäß zu vermeiden. Die hier verwendete Wendel aus Carbid ist an Stromzuführungen beispielsweise durch Crimpen befestigt. - Zur Verringerung des Effizienzverlusts wurden neben dem Wasserstoff auch Halogene zur Reaktion mit dem Kohlenstoff eingesetzt, siehe z.B.
US 3 022 438 . Der Leuchtkörper ist hier ähnlich an einem Gestell befestigt. der vom Leuchtkörper abdampfende Kohlenstoff reagiert in den kalten 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 zurück transportiert, wobei sie sich im wärmeren Bereich unter Freisetzung des Kohlenstoffs zersetzen. Der Kohlenstoff kann wieder an die Wendel angelagert werden. - Darstellung der Erfindung
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper, insbesondere mit Halogenfüllung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer ermöglicht und das Problem der Brüchigkeit des Leuchtkörpers überwindet.
- Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
- Erfindungsgemäß wird dafür ein integraler Leuchtkörper verwendet, bei dem die beiden Stromzuführungen eine Fortführung des gewendelten Leuchtkörpers sind. Leuchtkörper und Stromzuführung sind aus einem einzigen Draht gebildet.
- Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich insbesondere auf Lampen mit reduziertem Kolbenvolumen, wobei der Abstand des Leuchtkörpers, insbesondere dessen leuchtende Abschnitte, von der Innenwand des Kolbens höchstens 18 mm beträgt. Insbesondere ist der Kolbendurchmesser höchstens 35 mm, insbesondere im Bereich zwischen 5 mm und 25 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 8 mm und 15 mm. Bei Kolben mit so geringen Abmessungen, insbesondere so geringem Durchmesser muss der Gefahr einer Abscheidung von Feststoffen an der Kolbenwand unbedingt entgegengetreten werden. Bei diesen kleinen Kolbendurchmessern kann je nach Farbtemperatur der Wendel die Kolbenschwärzung über einen zweifachen Kreisprozess, wie er in der noch unveröffentlichten
DE-A 103 56 651.1 beschrieben ist, deutlich reduziert bzw. vermieden werden. - In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stromzuführung dadurch stabilisiert, dass sie zumindest teilweise von einem Überzug ummantelt ist. Bevorzugt sind beide Stromzuführungen zumindest teilweise von einer Wendel bzw. einem Gewickel ummantelt, im folgenden oft Überzugwendel genannt. Eine Alternative ist eine kompakte Hülse aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Metall wie Wolfram oder aus Cermet oder aus Kohlenstoff.
- Insbesondere handelt es sich um einen axial oder quer zur Achse angeordneten Leuchtkörper in einem einseitig oder zweiseitig verschlossenen, insbesondere gequetschten Kolben. Bevorzugt sind die Überzugswendeln aus einem hoch wärmebeständigen, nicht carbidhaltigen Material, insbesondere aus Wolfram gefertigt. Auch Tantal oder Molybdän kommen in Betracht. Alternativen sind elektrisch leitende Cermets als Hülsen. Wesentlich ist ein ausreichend geringer elektrischer Widerstand, der insbesondere deutlich kleiner, vorteilhaft um mindestens 50% kleiner, als der des Leuchtkörpers sein soll, um auf diese Weise die geringe Einschaltfestigkeit von einfachen Leuchtkörpern bzw. Glühwendeln, die aus Leuchtkörper und Abgängen aufgebaut sind, zu verbessern. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn, die Abgängen denselben Durchmesser des Drahtes haben wie der Leuchtkörper selbst. Ein hoher Widerstand und das damit verbundene häufige Durchbrennen carbidhaltiger Leuchtkörper, gerade im Bereich der Quetschkante, wird dadurch vermieden. Als Carbidhaltiger Leuchtkörper im weiteren Sinne wird hier insbesondere ein Tantal-, oder Tantalcarbidhaltiger Leuchtkörper verstanden.
- Bevorzugt handelt es sich beim Leuchtkörper um einen einfach gewendelten Draht, dessen Enden, die als Stromzuführung dienen, ungewendelt sind. Typische Durchmesser des Drahtes für den Leuchtkörper sind 50 bis 300 μm. Typisch ist der Leuchtkörper aus 5 bis 20 Windungen gebildet. Ein bevorzugter Steigungsfaktor, um möglichst hohe Stabilität des Leuchtkörpers zu erreichen, ist 1,4 bis 2,8.
- Besonders bevorzugt erstreckt sich die Überzugswendel auf den Bereich der Stromzuführung, der vom Kolbeninneren in das Kolbenmaterial eintritt. normalerweise ist der Kolben von einer oder zwei Quetschungen abgeschlossen. Dieser Bereich wird als Quetschkante bezeichnet. Außerdem ist die Bruchempfindlichkeit gerade im Bereich der Quetschkante besonders hoch, da hier ein hohes Biegemoment auftritt.
- Besonders bevorzugt erstreckt sich die Überzugswendel über mindestens 50, bevorzugt über mindestens 80% der Länge der Stromzuführung im Innern des Kolbens, besonders bevorzugt über die gesamte Länge, weil dadurch eine höhere Stabilität gegenüber einer Verzerrung der Ausrichtung des Leuchtkörper erreicht wird, dem sog. Wendelverwurf. Die Überzugswendel dient dabei als Stütze.
- Dieser Aspekt hat besondere Bedeutung deswegen, weil das Konzept der axialen Leuchtkörpers prinzipiell gut geeignet ist, um einen effizienzsteigernden Überzug auf dem Kolben anzubringen. Bekannt ist ein sog. Infrarot-Coating (IRC), wie es beispielsweise in der US-A 5 548 182 beschrieben ist. Entsprechend kann auch der Kolben extra dafür angepasst sein, beispielsweise elliptisch oder zylindrisch geformt, wie an sich bekannt.
- Ein besonderer Vorteil liegt in der Anwendung von Halogenfüllungen, da bei geeigneter Dimensionierung nicht nur ein Kreisprozess für das Material des Leuchtkörper, sondern auch für das Material der Überzugswendel in Gang gebracht werden kann. derartige Füllungen sind an sich bekannt. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Füllung für einen zweifachen Kreisprozess, wie er in der noch unveröffentlichten
DE-A 103 56 651.1 beschrieben ist. - Insbesondere zeigt die Erfindung auch deutliche Vorteile gegenüber Leuchtkörpern mit massiven Stromzuführungen, sog. Elektrodenhaltern, die bisher fast ausschließlich als Halterung für carbidhaltige Leuchtkörper verwendet wurden. Die erfindungsgemäße Konstruktion erzielt eine wesentlich höhere Schlagfestigkeit (sie erträgt eine Beschleunigung von mehr als 100 g) verglichen mit einem Gestell, das Elektrodenhalter verwendet, und das eine Schlagfestigkeit von lediglich etwa 40 g erzielt. Die aus dünnem Draht bestehenden Stromzuführungen können die Schlagenergie besser absorbieren ohne zu brechen als die vergleichsweise dicken und steifen Elektrodenhalter. Die Schlagenergie kann somit durch elastische Federung der gesamten Leuchtkörpers abgebaut werden.
- Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Konstruktion deutlich einfacher als bisherige Konstruktionen, weil kein Quarzbalken benötigt wird und weil außerdem keine problematischen Kontaktierungen zwischen dem Leuchtkörper und den Stromzuführungen (Schweißung oder Klemmung bzw. Crimpung) erforderlich sind. Diese Kontaktierung führen häufig zur Beschädigung der Enden des Leuchtkörpers, den sog. Wendelabgängen. Außerdem setzen sie ebenfalls die Schlagfestigkeit der Lampe herab.
- Bevorzugt ist das Material des Leuchtkörpers Ta, TaC oder Ta2C. Aber auch Carbide des Hf, Nb oder Zr sind geeignet.
- Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Niedervoltlampen mit einer Spannung von höchstens 50 V, weil die dafür notwendigen Leuchtkörper relativ massiv ausgeführt sein können und dafür die Drähte bevorzugt einen Durchmesser zwischen 50 μm und 300 μm, insbesondere höchstens 150 μm für Allgemeinbeleuchtungszwecke mit maximaler Leistung von 100 W, aufweisen. Dicke Drähte bis 300 μm werden insbesondere bei fotooptischen Anwendungen bis zu einer Leistung von 1000 W gebraucht. Besonders bevorzugt wird die Erfindung für einseitig gequetschte Lampen verwendet, da hier der Leuchtkörper relativ kurz gehalten werden kann, was die Bruchanfälligkeit ebenfalls reduziert.
- Als weiterer wesentlicher Parameter bei der Optimierung der Stoßfestigkeit hat sich das Gewicht des Leuchtkörpers herausgestellt. Es soll unter Berücksichtigung der lichttechnischen Werte möglichst gering sein. Schließlich kommt es auch auf die Länge der Wendelabgänge an. Je länger der Wendelabgang, desto empfindlicher ist er hinsichtlich Bruch an der Quetschkante. Seine maximale Länge sollte 25 mm nicht überschreiten.
- Für den Leuchtkörper bzw. die Überzugswendel sollte bevorzugt TaC bzw. W als Material verwendet werden. Der Durchmesser des Drahts der Überzugswendel sollte insbesondere zwischen 30 und 95% des Durchmessers des Drahts des Leuchtkörpers betragen. Der Steigungsfaktor der Überzugswendel sollte zwischen 1,0 und 2,0 liegen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß erstem Ausführungsbeispiel; -
2 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß zweitem Ausführungsbeispiel; -
3 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß drittem Ausführungsbeispiel. - Bevorzugte Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe mit einem Kolben aus Quarzglas1 , einer Quetschung2 , und innere Stromzuführungen3 , die Folien4 in der Quetschung2 mit einem Leuchtkörper5 verbinden. Der Leuchtkörper ist ein einfach gewendelter Draht aus TaC. Die äußeren Zuleitungen6 sind außen an die Folien4 angesetzt. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 5 mm. Die Wendelenden sind parallel zur Lampenachse abgebogen und über ihre gesamte Länge mit einer Überzugswendel7 stabilisiert. Sie besteht aus einem eng gewickelten Draht aus Wolfram. -
2 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe mit einem Kolben aus Hartglas1 , einer Quetschung2 , und innere Stromzuführungen3 , die in der Quetschung2 mit einem Leuchtkörper6' verbunden sind. Der Leuchtkörper6' ist ein gewendelter Draht mit einem Kern aus Rhenium und einer Schicht TaC an der Oberfläche. Dieser Leuchtkörper ist leichter verformbar als ein Leuchtkörper, der rein aus Carbid besteht. In diesem Fall wird meist zuerst der Rheniumdraht verwickelt, anschließend wird eine TaC-Schicht aufgebracht. Die äußeren Stromzuführungen5 sind außen direkt an die Zuleitungen3' angesetzt und zwar im Bereich der Quetschung. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 30 mm. Alternativ ist der Leuchtkörper eine Litze aus Kohlenstofffasern, die mit Tantal beschichtet sind. Die TaC-Schicht kann z.B. durch Aufbringung einer Tantal-Schicht durch ein CVD Verfahren oder durch Aufsputtern und anschließende Carburierung erzeugt werden. Die Carburierung der Ta-Schicht kann auch erst im Lampenbetrieb in einer kohlenwasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt werden. Der hier verwendete Überzug ist eine Hülse aus elektrisch leitendem Cermet, das etwa 80% der Länge der Stromzuführungen abdeckt und noch in die Quetschung hineinreicht. Ein derartiges elektrisch leitendes Cermet ist beispielsweise aus der EP-A 887 840 oder derUS-PS 4 155 758 und dem darin diskutierten Stand der Technik bekannt. Ein konkretes Beispiel ist ein Cermet mit einem Anteil von 50 Vol.-% Molybdän, Rest Aluminiumoxid. -
3 zeigt eine zweiseitig gequetschte Glühlampe20 , auch als Soffitte bekannt, mit einem Kolben aus Quarzglas21 , zwei Quetschung24 und25 , Zuleitungen27 , die mit einem Leuchtkörper26 verbunden sind. Der Leuchtkörper26 ist einfach gewendelt und besteht aus TaC. Die Stromzuführungen25 sind mit einer Hülse30 aus Molybdän ummantelt und enden in Sockelteilen28 , wie an sich bekannt, die auf der Quetschung sitzen. Der innere Durchmesser des Kolbens ist 15 mm. - Im allgemeinen verwendet die Lampe bevorzugt einen Leuchtkörper aus Tantalcarbid, der bevorzugt aus einem einfach gewendelten Draht besteht.
- Der Kolben ist aus Quarzglas oder Hartglas mit einem Kolbendurchmesser zwischen 5 mm und 35 mm, bevorzugt zwischen 8 mm und 15 mm, gefertigt.
- Die Füllung ist hauptsächlich Inertgas, insbesondere Edelgas wie Ar, Kr oder Xe, ggf. unter Beimengung geringer Mengen (bis 15 mol-%) Stickstoff. Dazu kommt ein Kohlenwasserstoff, Wasserstoff und ein Halogenzusatz.
- Als Leuchtkörpermaterial, der bevorzugt ein gewendelter Draht ist, eignet sich auch Zirkoniumkarbid, Hafniumkarbid, oder eine Legierung verschiedener Karbide wie z.B. in US-A 3 405 328 beschrieben.
- Eine Alternative ist ein Leuchtkörper, der aus einem Trägermaterial wie z.B. einem Rheniumdraht als Kern oder auch einer Kohlenstofffaser besteht, wobei dieser Kern mit Tantalcarbid oder einem anderen Metallcarbid beschichtet ist.
- Als elementare Regeln für die Füllung gilt ein Kohlenstoff-Anteil von 0,1 bis 2 mol-%. Der Wasserstoff-Anteil liegt bei höchstens dem Kohlenstoff-Anteil, bevorzugt dem Zwei- bis Achtfachen des Kohlenstoff-Anteils. Der Halogen-Anteil liegt bei höchstens dem Halben, insbesondere ein Fünftel bis ein Zehntel des Kohlenstoff-Anteils. Bevorzugt sollte der Halogen-Anteil höchstens dem Wasserstoffanteil, bevorzugt höchstens dem Halben des Wasserstoffanteils entsprechen. Eine Richtschnur für den Halogenanteil ist 500 bis 5000 ppm.
- Konkrete Untersuchung werden für eine 24 V/100 W Lampe vorgestellt. Die Farbtemperatur ist 3800 K. Sie verwendet einen TaC-Draht (aus carburiertem Tantal gewonnen) mit einem Durchmesser von 125 μm. er ist einfach gewendelt und zeigt ein deutlich besseres Bruchverhalten als ein ansonsten gleicher Leuchtkörper aus einem Draht mit 190 μm Durchmesser. Die Bruchtests wurden mit einem Schlagpendel durchgeführt.
- Entscheidend ist das geringere Gewicht des dünneren Leuchtkörpers, das einen geringeren Impuls auf die Wendelabgänge verursacht. Dies zeigt sich beim Vergleich zweier Leuchtkörper aus gleichem Draht, von denen der eine 6 und der andere Leuchtkörper
8 Windungen hat. Der kürzere Draht mit dem kleinere Gewicht ist deutlich weniger bruchanfällig. - Dagegen ist eine gleiche Lampe, die jedoch die üblichen steifen Elektrodehalter aus Molybdän verwendet, erheblich bruchanfälliger. Nur die mit Überzug versehenen Leuchtkörper eignen sich für den Transport der Lampe unter üblichen Bedingungen. Bei anderen Konzepten ist der Leuchtkörper so bruchempfindlich, dass für den Transport der Lampe besondere Maßnahmen ergriffen werden müssten.
- Je länger die Wendelabgänge, also der Abstand Leuchtkörper zu Quetschkante, desto empfindlicher ist der Ta/TaCarbid-Leuchtkörper. In der Quetschung bis zur Quetschkante liegt reines Ta vor, in den Abgängen häufig Ta2C und im Leuchtkörper selbst TaC. Die maximale Länge im Kolben sollte insbesondere 25 mm nicht überschreiten.
- Zusätzlich reduziert sich das Verwerfen des Leuchtkörpers, je kürzer die Wendelabgänge gewählt werden. Ursache des Verwerfens ist die Volumenzunahme bei der Carburierung. Diese Zunahme macht sich insbesondere durch eine Zunahme der Länge bemerkbar. Es hat sich gezeigt, dass das störende Verwerfen nicht zu einer Verkippung innerhalb der Windungen des Leuchtkörpers führt, sondern dass der Leuchtkörper als Ganzes seitlich aus der axialen Lage kippt. Die Vermeidung des Verwerfens ist unbedingte Voraussetzung zur Nutzung von Interferenzfiltern auf dem Kolben im Sinne eines IRC-Coating, wie es an sich bekannt ist, siehe
EP 765 528 - Zusätzlich hat sich gezeigt, dass ein direkt eingequetschter Ta-Wendelabgang ohne Überzugswendel aus Wolfram beim Aufkohlungsprozess im Bereich der Quetschkante zu Glassprüngen und damit Undichtigkeiten in der Lampe führen kann. Ursache hierfür ist das Verkleben des Ta-Drahtes (Ausdehnungskoeffizient 6,5 × 10–6 K–1) mit dem Quarzglas (Ausdehnungskoeffizient 0,5 × 10–6 K–1).
- Der Außendurchmesser der Hülse entspricht maximal dem Zweifachen des Durchmessers des Drahts des Leuchtkörper. Je dünner die Hülse, desto geringer ist ihr Gewicht.
- In diesem Sinne versteht es sich von selbst, dass der Überzug möglichst eng anliegend direkt auf der Stromzuführung aufgebracht ist. Eine Beabstandung sowie zusätzliche Einbringung von Masse mittels einer noch in den Überzug eingeschobenen Stützhilfe in Form eines zusätzlichen Drahtes wie in
US 3 355 619 ist jedoch nicht ausdrücklich ausgeschlossen. Einerseits kann dieser Zusatzdraht als zusätzliche Stützhilfe wirken. Andererseits können an den Wendelabgängen Zusatzstoffe bzw. der komplette Füllgaszusatz für den Füllgaskreisprozess in fester Form in die Lampe eingebracht werden, z.B. beschichtete Kohlenstofffaser oder Kunststofffaser aus halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen. - Für eine Lampe mit einem Durchmesser des Kolbens von 10 mm und einem Leuchtkörper aus TaC besteht eine ganz konkrete Füllung aus folgenden Komponenten: 1 bar (Kaltfülldruck) Kr + 1%C2H4 + 1%H2 + 0,05%CH2Br2. Die Konzentrationsangaben sind mol-%.
Claims (10)
- Glühlampe mit carbidhaltigem Leuchtkörper und mit Stromzuführungen, die den Leuchtkörper haltern, wobei ein Leuchtkörper zusammen mit einer Füllung in einem Kolben vakuumdicht eingebracht ist, wobei der Leuchtkörper Tantal oder ein Metallcarbid aufweist, dessen Schmelzpunkt oberhalb dem von Wolfram liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen integral mit dem Leuchtkörper aus einem Draht gefertigt sind, und dass zumindest ein Teil der Stromzuführung von einem elektrisch leitenden Überzug ummantelt ist.
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper ein einfach gewendelter Draht ist, insbesondere zumindest an seiner Oberfläche aus Tantalcarbid bestehend.
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus Quarzglas oder Hartglas mit einem Kolbendurchmesser zwischen 5 mm und 35 mm, bevorzugt zwischen 8 mm und 15 mm, besteht.
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Inertgas, insbesondere Edelgas, ggf. unter Beimengung geringer Mengen Stickstoff, sowie zumindest einen Kohlenwasserstoff, Wasserstoff und zumindest einen Halogenzusatz enthält.
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper ein einfach gewendelter Draht ist, bevorzugt mit einem Durchmesser von 50 bis 300 μm, insbesondere bis 150 μm.
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Gewickel aus hochschmelzendem Metall oder Kohlenstoff ist
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eine Hülse aus elektrisch leitendem Cermet, Kohlenstoff oder Metall ist.
- Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Drahts des Überzugs 30 bis 95% des Durchmessers des Drahts des Leuchtkörpers ist.
- Glühlampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Hülse maximal dem Zweifachen des Durchmessers des Drahts des Leuchtkörper entspricht.
- Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eng anliegend direkt auf der Stromzuführung angebracht ist.
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