具有包含耐高温金属化合物的发光体的白炽灯

技术领域

本发明以根据权利要求1的前序部分所述的、具有包含着耐高温 金属化合物的发光体的白炽灯为出发点。在此特别涉及具有含碳化物 的发光体的白炽灯，本发明特别涉及卤灯，其具有由TaC制成的发光 体，或其发光体包含TaC作为基本组成部分或涂层。

背景技术

提高白炽灯效率的已知选择是应用由高熔点的陶瓷、比如碳化钽 形成的灯丝。为此参见例如Becker，Ewest：“碳化钽的物理和辐射 技术特性(Die physikalischen und strahlungstechnischen Eigenschaften des Tantalkarbid)”，技术物理期刊(Zeitschrift fuer technische Physik)，第5期148-150页和第6期216-220 页(1930)。从这种事实中得出效率的提高，即由金属碳化物制成的 炽热体由于与纯金属相比的非常高的熔点可以运行在较高温度下：与 钨的熔点3410℃相比，TaC的熔点为3880℃。此外与钨相比，碳化物 在可见光范围内的发射系数大于在红外范围内的发射系数。特别是碳 化钽是比钨更好的“选择辐射源”。

碳化钽发光体运行在高温下的问题是消除积碳；这导致形成了具 有较高特定电阻系数和较低熔点的附加碳化物，并因此导致快速毁坏 发光体。为了解决这个问题，在文献中到多种方案。

在US-A 3 405 328中提到的可能性在于，清除在碳化钽发光体上 的多于碳。于是通过从内部渗出来补偿从发光体向外挥发地、在灯管 壁上沉积的碳。

另外一种可能性是向填充气体添加碳和氢，例如参见US-A 2 596 469。对此在灯管中产生碳循环过程。在较高温度下挥发出的碳在较低 温度下与氢反应而生成碳氢化合物，其通过对流和/或扩散被输送回发 光体，在发光体上，碳氢化合物再度分解。在这种情况下产生的碳再 度积聚在发光体上。对于运作的碳循环过程大多必须使用氢过量，以 便避免在灯管中碳的沉积(碳黑的形式)。例如在应用甲烷或乙烯的 情况下，氢的分压力必定比碳氢化合物的分压力大约大2倍。否则在 灯管中可能发生碳的沉积。因为碳和氢的必需浓度大多数在直到百分 之几的范围内，氢的比例过高对灯的效率产生负面影响。

为了降低效率损失，除了氢之外，卤素也用于与碳的反应，参见 例如US-A 3 022 438。从发光体挥发的碳在接近灯管壁的冷区域内与 例如氯原子反应而生成化合物CCl4，由此避免碳沉积在壁上。通过转 移过程，比如对流和扩散，碳-卤素化合物被输送回到灯丝方向，在此 其在较热的区域内分解释放出碳。碳可以再度积聚在螺旋灯丝上。为 了通过卤素和氢防止碳沉积，根据US-A 3 022 438，不仅在灯中注入 的卤元素的总量、而且氢元素的总量都必须大于在气相中存在的碳的 总量。因为仅在大约150℃左右或之下，才可能形成碳氯化合物和碳溴 化合物，在灯上应用碳-卤素循环过程要求相对较大的灯管体积，并因 此灯管温度限制在200℃左右或之下。基于氯或溴的碳-卤循环过程在 至少200℃的温度和相应较小的灯管尺寸时肯定不能工作。应用卤素避 免在灯管壁上沉积碳的其它缺点在于，在为此所需的相对较大的卤素 浓度的情况下，支架组成部分或在较冷区域的螺旋灯丝被腐蚀。

在TaC的相对较高的运行温度下，除了碳(C)的挥发外，发光体 也可能发生小规模的钽(Ta)挥发，例如参见J.A.Coffman、 G.M.Kibler、T.R.Reithof、A.A.Watts：WADD-TR-60-646部分I (1960)。因此用于把碳送回发光体的循环过程与把钽送回发光体的 另外循环过程相叠加是适宜的，参见DE-A 103 56 651。例如通过使 用氢避免在灯管壁上沉积碳，通过使用卤素，比如氯或溴或碘，可以 避免钽的沉积。可是也可以使用其它元素。

关于应用卤素的例外情况是使用含氟的化合物。原则上氟特别适 合于形成氟循环过程，因为碳氟化合物直到远大于2000K的温度还是 稳定的，例如参见Philips techn.Rdsch.35.228-341.Nr.11/12。因 此，一方面有效防止灯管壁变黑，并且另一方面目标明确地将碳送回 发光体的最热位置(再生循环)。这种碳-氟循环过程不仅可以用于具 有由碳形成的发光体的灯，而且也适合于具有由金属碳化物所形成的 发光体的灯。可是这方面的缺点是，灯管壁必须防止氟的腐蚀，参见 US 3 022 438(Cooper，Vevwendung Fin TaC Lampen)。也许还 要保护支架部分。由于与此相关的费用，直到今天还没有大规模应用 氟循环过程。

发明内容

本发明的任务是，提供一种根据权利要求1的前序部分所述的、 具有发光体的白炽灯，该发光体含有耐高温的金属化合物、并且特别 是含碳化物的发光体，该白炽灯寿命长并且克服了发光体挥发成份耗 尽的问题。另外的任务是最佳地利用氟的作用。

通过权利要求1的特征来完成这项任务。在从属权利要求中给出 特别有利的方案。

耐高温金属化合物的概念是指这样的化合物，其熔点接近钨的熔 点，部分甚至高于钨的熔点。发光体的材料优选TaC或Ta2C。但Hf、 Nb或Zr的碳化物以及这些碳化物的合金也是适用的。此外这类金属的 氮化物或硼化物。这些化合物的共同特性是，由这种材料形成的发光 体在运行中耗尽至少一种元素。

如果发光体在较高温度下运行，根据发光体材料特性，会发生材 料或材料组成部分的挥发。这种挥发出的材料或者其组成部分通过例 如对流、扩散或热扩散被转移，并且在灯的另外位置析出，例如灯管 壁或支架部分上。由于材料或其组成部分的挥发，发光体快速损坏。 由于在灯管壁上沉积的材料，光的透射显著降低。

实例：

(a)从钨灯丝上挥发出的钨在常规的白炽灯中转移到灯管壁，并 且在那里析出。

(b)在较高温度下运行的碳化钽发光体分解并产生脆性的、与TaC 相比在较低温度下熔化的亚碳化物Ta2C和气态的碳，其被转移到灯管 壁并在那里析出。

提出的任务在于，通过适当的措施降低发光体的挥发或使其可 逆。

已经证实，与上面提到的含氟化合物的相关专利申请不同，在具 有由金属碳化物形成的发光体和没有保护的玻璃(例如石英、硬玻璃) 灯管的灯中也可以有益地应用氟，当除了氢和可能其它的卤素外使用 氟时。通过对除了惰性气体外包含有碳氢化合物和氢的填充气体的含 氟化合物附加地确定剂料，达到避免灯管变黑和延长寿命的有利效 果。氟可以例如以CF4或有氟化作用的碳氢化合物、比如CF3H、CF2H2、 C2F4H2等的形式确定剂量。该化合物在较高温度下分解释放出氯。在氟 反应的情况下，在灯管壁上至少少量产生氧或者含氧化合物，比如CO， 如果限制产生的氧量，则证明显没有妨碍。在这种情况下产生的氧量 必须低于碳和存在的氢的量。在这种情况下产生的氧与在气相中存在 的含氟化合物一起产生有利作用。可是这种有利作用不能归并为比如 在Philips techn.Rd sch.35，228-341.Nr.11/12中所描述的碳-氟 循环过程，因为氯在接近灯管壁的温度下绝对不可能再形成碳-氟化合 物，比如CF4，而是绝大部分以SiF4存在。更确切地说，这种有利作用 归因于氧和在壁反应中产生的SiF4的组合作用。

如果由金属碳化物形成的发光体在较高温度下运行，则除了氟之 外必须有其它的卤素，比如氯、溴或碘，以便根据还未公开的DE-A 103 56 651.1防止钽在灯管壁上的析出，并且把钽送回到发光体。这在几 乎所有实际相关的情况下是必须的，因为发光体为了改善效率刚好运 行在相对较高的、明显超过3000K的温度。氟不被提供用于该循环过 程，因为它在灯管壁上反应生成SiF4。

如果在大多数在150℃到400℃左右温度的较冷区域内使用金属， 比如铁、钴、镍或钼，则能够增强氟的有利作用。这些金属很可能根 据Fischer-Tropsch反应用作催化剂，其中一氧化碳在催化剂上与氢 反应生成碳氢化合物和水。由此在其它情况下非常稳定的一氧化碳分 子再度分解，并且不仅碳而且氧都被引入反应过程。碳氢化合物在其 通向发光体的路径上分解并释放出碳，碳会再度积聚在发光体上。释 放出的氧已经与从发光体传送过来的碳反应生成一氧化碳。因为该反 应不同于碳与氢的反应，已经在非常高的温度下进行，由此极为有效 地防止灯管变黑。优选在尽可能低的温度下使用作为催化剂的金属， 以便避免与用于钽循环的卤素反应。

在此描述的优选措施与例如在US 3 022 438或者DE 1 188 201 中描述的措施的区别在于，不必有意保护玻璃壁，并且此外卤素氟以 及其它卤素(氯、溴、碘)的量选择为明显小于碳的量。与在DE-A 103 24 361中描述的措施的区别在于，在灯中不注入含氧化合物，而是从 灯管壁的材料中离析出氧，并且另一方面不是无卤素地工作，而是氟 和至少一种其它卤素用于改善寿命和减轻灯管变黑。

关于确定剂量可以定义出如下比例。碳的摩尔浓度比氟的摩尔浓 度大至少3倍，优选大5至40倍、特别是5至20倍。氢的摩尔浓度 比碳的摩尔浓度至少大4倍，优选大5至40倍。其它为了把钽送回发 光体所需的卤素的摩尔浓度小于氢浓度的一半，并优选小于氢浓度的 十分之一。

作为规范，对于1巴的冷充压力得出如下浓度。碳的摩尔浓度在 0.1％和5％之间。其它对于钽循环所需的卤素(氯、溴、碘)的摩尔浓 度应当在500ppm和5000ppm之间。通过上面给出的比例的计算得出所 有其它的浓度。从这个边缘条件得出对其它冷充压力的换算，即在灯 体积内包含的微粒数目应当恒定。因此在从1巴转变为2巴时，各个 浓度减半。

关于碘的应用存在特殊情况，如在DE-A 103 56 651中描述的， 用于形成氢，以便防止氢通过灯管壁渗透。于是应用摩尔浓度非常大 的碘，其直到5倍，优选直到2倍，该倍数相当于所用氢的量。

可以如下进行各个组成部分的确定剂量：

通过可能卤化的碳氢化合物，比如CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CF4、CH2Cl2、 CH3Cl、CH2Br2、CF3Br、CH3I、C2H5J、CF3Cl、CF2BrCl等实现碳的添加， 其中通过卤化的碳氢化合物同时可以对为此所需的卤素确定剂量。

或者通过可能部分卤化的碳氢化合物(同上)，或者通过氢气H2 来实现氢的添加。

通过已经提到的至少部分氟化的碳氢化物、氟F2、NF3、PF3等实现 氟的添加。

通过已经提到的至少部分卤化的碳氢化合物，比如CH2Br2、CH3Br、 CH3Cl、CCl4、附加地通过Br2、Cl2、J2，实现溴、氯、碘(用于钽循 环的卤素)的添加，也可以使用PCl3、PBr3等。

完整的具体混合是：

1 bar Kr+1％CH4+3％H2+0.1％CF2Br2

灯管由高熔点玻璃制成，其中因此是指硬玻璃、维克玻璃或石英 玻璃。例如硼硅酸盐玻璃，特别是硼硅酸铝玻璃，或者铝硅酸盐玻璃， 尤其是铝硅酸碱土玻璃适合作为硬玻璃。

本发明特别适合于最高50V电压的低压灯，因为可以相对结实地 实施为此所需的发光体，并且对此灯丝优选直径在50μm和300μm之 间，对于最大功率100W的普通照明来说直径特别为最高150μm。特别 是在直到1000W功率的光学应用的情况下使用直到300μm粗的灯丝。 本发明特别优选用于单侧压脚的灯，因为在此发光体可以相对较短地 被夹持，这同样降低了断裂趋势。可是也能够应用于双侧压脚的灯和 运行于电网电压的灯。

在此应用的金属杆的概念是指这样的介体，其构造为比较结实的 金属杆，或特别构造为细丝。

附图说明

下面根据多个实施例详细阐述本发明。附图示出：

图1根据一个实施例的、具有碳化物发光体的白炽灯；

图2根据另一实施例的、具有碳化物发光体的白炽灯；

图3至6根据另一实施例的、具有碳化物发光体的白炽灯。

具体实施方式

图1示出了一个单侧压脚的白炽灯1，其具有由石英玻璃形成的灯 管2、压壁管脚3和一个内部电流引线10，箔片4在压壁管脚3中与 发光体7连接。发光体7是一个简单螺旋形、轴向布置的、由TaC形 成的线材，其末端14不是螺旋形并且横交于灯轴。外部引线5在外部 置于箔片4上。

在此描述的结构形式例如也能够套用于具有其它金属碳化物发光 体的灯上，比如碳化铪、碳化锆、碳化铌。也能够应用不同碳化物的 合金。此外能够应用硼化物或氮化物、特别是氮化铼或硼化锇。

灯一般优选应用由碳化钽形成的发光体，其优选由简单螺旋形线 材构成。碳化锆、碳化铪或比如在US-A 3 405 328中描述的不同碳化 物的合金、适合于作为优选是螺旋形线材的发光体材料。

灯管典型地由石英玻璃或硬玻璃制造，灯管直径在5mm和35mm之 间，优选在8mm和15mm之间。

填充物主要是惰性气体、特别是稀有气体比如Ar、Kr或Xe，必要 时混合有少量(直到15摩尔百分数)的氮。为此典型的还有碳氢化合 物、氢和含氟的卤素添加物。

卤素添加物不依赖于可能的碳-卤素循环过程或者转移过程是适 当的，以便防止从金属碳化物的发光体上挥发出的金属析出到灯管壁 上，并且尽可能将挥发出的金属输送回发光体。在此涉及金属-卤素循 环过程，比如在专利申请DE-Az 103 56 651.1中描述的。下面的情 况是特别重要的：对从发光体的碳的挥发可以抑制的越多，金属成分 挥发的越少，例如参见J.A.Coffmann、G.M.Kibler、T.R.Riethof、 A.A.Watts：WADD-TR-60-646 PartI(1960)。

图2的结构基本上类似于图1。可是在此附加应用了催化剂，其例 如以线材20或者小薄片21的形式焊接到支架或螺线抽头部分上。另 一种替代方案(图3)在于，线材22焊接到压壁管脚3中的第三钼箔 24上。用23表示用于附加箔片24的、由钼制成的固定件。替代地可 以直接由催化剂材料制造支架部分。用催化剂材料涂敷抽头或支架部 分也是可能的。正如已经提到的金属，比如铁、镍、钴或钼适合作为 催化剂，可是也可以使用铑或铼。

图4示意示出了一个实例，在该实例中，在内部电流引线上由镀 层螺线25形成催化剂。其例如由镍制造。镀层螺线也可以引入直到压 壁管脚内，参见右侧(26)。

图5示出了一个实施例，在该实施例中由此形成催化剂，即其分 别形成内部电流引线下面部分。其通过由催化剂材料、特别是钼制成 的线材27形成。内部电流引线的上面部分28由钨形成。这两部分通 过焊接点30彼此连接。

最后图6示出了在电流引线10的下面部分上实现为涂层29的催 化剂。该涂层一直延伸进入到压壁管脚3内。

在此提到的含氟化合物一般是气态的。其在填充时共同注入灯管 内并且在短时间内分解。在此描述的催化剂用于这个目的，即使CO裂 解。

与此不同地存在一个方案，该方案通过应用含氟的固体材料进行 连续补充碳。在此CF4或者类似物连续挥发。在这种情况下，碳通过碳 -氟化合物被直接输送回发光体的最热位置，也就是说在此氟直接对于 碳的转移是非常重要的，与在本文章中描述的方案不同。在那里应用 的催化剂在整个寿命期间用于降低碳。

内部电流引线共同形成支架。螺线抽头可以特别地直接用作压壁 管脚的组成部分。