具有含碳化物发光体的白炽灯

技术领域

本发明涉及一种按照具有权利要求1前序部分的含碳化物发光体的白炽 灯。这种白炽灯应用于一般照明和照相光学的目的。

背景技术

一个公知的用于提高白炽灯效率的选择是应用由高熔点的陶瓷如钽碳化 物构成的辉光体。效率之提高产生的事实在于，金属碳化物构成的辉光体由于 和纯金属相比高很多的熔点可以运行在较髙温度下：TaC的熔点是3880℃而钨 是3410℃。此外，和钨比较碳化物在可见光区域中的发射系数大于在IR中。 特别是钽碳化物是一个比钨更佳的“选择性-发射器”。

在钽碳化物-发光体于髙温运行时的一个问题是脱碳。这个则导致形成具 有较高单位电阻及较低熔点的次(Sub-)碳化合物并且因此导致发光体之快速 损坏。其中特别成问题的是，在钽碳化物上方的碳素-蒸汽压力是相对大的。在 相同的运行温度下碳素在钽碳化物上的挥发率要比在钨表面上钨之相应的挥发 率要大一个数量级还多。另外这种强烈的碳素蒸发则导致-当没有采取适宜的反 制措施时-快速的灯泡变黑，其阻碍了通过玻璃灯泡地光射出。为了解决或抑制 这一问题可在文献中发现许多预示。

一个可能方案表明了用于填充气体的碳和氢???加剂，参见例如 US2596469。其中于灯内存在一个碳-循环过程。在高温时蒸发的碳则在较低温 度时与氢反应为碳氢化合物，其通过对流和/或扩散被回送到螺旋(灯丝)去，在 那里它们又分解。其中产生的碳则部分地又沉积在螺旋丝上。为了一个有效地 碳-循环大多是必须投入一个氢-过量，以避免在灯管中碳(碳黑形式)的沉积。 例如在应用甲烷或乙烯时氢的分压力必须要大于碳氢化合物之相应的分压力约 一个因数2。否则的话就发生碳在灯管中沉积。因为所需的碳和氢的浓度大多 必须处于直至几个百分比的范围中，故氢的这个高份额则对灯的效率起了负作 用。

为了减小效率损失，除了氢外还应用了卤素以与碳反应，参见例如 US3022438。由发光体挥发的碳在靠近灯泡壁的冷区域中则例如与氯原子反应 成化合物如CCI4，因此避免了在壁上碳的沉积。该碳-卤素-化合物则通过传送 过程如对流和扩散被朝辉光体方向上回送，同时它们在更热的区域中分解而释 放碳。碳可以再沉积到螺旋(灯丝)上。为了防止碳通过卤素和氢而沉积，则必 须按照US3022438使总共加入到灯中的卤-元素量以及元素氢的量分别大于总 共在气相中存在的碳量。因为该碳-氯-和碳-溴-化合物大多只有在温度为约150 ℃附近或之下时才可以形成，故碳-卤素-循环的应用被局限到具有相对大灯泡 容积并因此灯泡温度为200℃附近或之下的灯上。

所提及循环过程的缺点是，不仅碳-氢-化合物而且碳-氯-或碳-溴-化合物 在处于1000℃之下温度时已发生分解。因此已有碳的大部分沉积在至灯丝的供 电结构上并且被从另外的发生反应中收回。无论如何不能发生令人期望的使碳 到发光体最热位置上去的反馈(所谓的再生循环)，从这个出发当然最好是实 现碳的挥发。因此采用氢或卤素之使用的首要原则在于避免灯泡发黑。这种应 用在延长使用寿命方面只是很微小的。

已经存在着多种即便在没有再生循环时也可加长使用寿命的可能方案。

一个用于延长使用寿命的选择方案是如在WO-A03/075315中描述的出自 一个堆场的发光体再生。其中从发光体蒸发的碳通过将出自一个堆场的碳带到 (发光体)而被补偿。

另一个在DE-A-10 2004 052 044中描述的为了防止钽碳化物-发光体之迅 速脱碳的可能方案在于，使这个(发光体)运行在一个从外部如此强烈地用碳 富化的气氛中，以便避免发光体碳的贫化。最好是发光体运行在一个如此气氛 中，其中碳-挥发压力大致对应于钽碳化物上方碳的平衡蒸汽压力。这个被如此 实现，即持续的碳被从一个源头传送到一个(碳)减少中。

从DE-A-10 2004 034786和DE-A-10 2004 034807中公开了用于与发光体 组合一体制成之灯的供电结构，其将一个含碳化物发光体之组合一体供电结构 的部件用碳化物，硼化物或氮化物设置覆层。其中该覆层承受温度最大为 2500K。此处目标是防止碳在碳化过程中扩散到供电结构中。

由GB2032173中公开了，使由金属或金属-合金或碳构成之发光体设有覆 层，其可抑制所述蒸发和由此导致的灯泡发黑。应用领域主要是真空灯或至少 是没有任何循环具有与之相应的一般为2700K相对较低发光体温度的灯。与之 相反地实际上在至少3000K的高发光体温度时所有材质都具有一个显著的蒸汽 压力。此处灯泡发黑通过循环过程而被防止。

用金属碳化物对金属的覆层也可以有利的方式应用于，规避金属碳化物- 发光体之在缺失的耐冲击强度方面部分出现的问题。例如在US1854970中描述 了铼-丝材的应用。铼不会形成碳化物并且只释放微小量的碳，因此与大多数其 他金属不同地是不会导致金属碳化物脱碳。在这个意义上人们可以用TaC对铼 -丝材覆层，并且可以这样利用金属碳化物之在足够的耐冲击强度方面的有利特 性。可以类似方式处理其他不生成碳化物的材料如锇。另外人们可以用不会形 成碳化物的材料来覆层可生成碳化物的材料，以便至少实现一个超出灯加热时 间之外地足够的耐冲击强度。通过较长的点燃时间就会发生一个使该形成碳化 物的基质与另外不形成碳化物的金属的扩散式混合。

发明内容

本发明的任务是，在所属类型之发光体基础上提高使用寿命和提供一种它 的制造方法。

这一任务通过权利要求1的特征解决。特别优选的结构方案产生于从属 权利要求中。

作为本发明基础的构思是，如此实现对发光体之基础材料(基质)上的改 变，即，通过合金生成以在具有运行温度至少3000K的高负荷发光体上制造一 个层结构，其使熔点提高并使挥发压力降低。这个措施则在具有循环过程的灯 中起到进一步提高使用寿命的作用。如果在运行中通过在发光体之整个横截面 上地扩散过程发生一个合金生成时，则人们通常作为积极的副效应获得一个核 心边界的稳定结构。此外可以部分地使在可见光谱范围中表面的发射性被积极 地影响并且改善该耐冲击强度。

本发明充分利用了这些公知的事实，即，不同碳化物的合金例如由HfC 和TaC以及由ZrC和TaC(构成)之相应的合金具有一个相比这些单个组分要 高的熔点。在TaC-HfC体系中例如TaC和HfC的熔点处在4150K或4160K上。 人们发现对于组合物(成分)80％TaC+20％HfC的熔点最大值则处在4215K，参 见Agte和Alterthum(文章)，技术物理杂志，Nr.6(1930)。人们按照Agte和 Alterthum类似地发现了在体系TaC/ZrC中于80％TaC+20％ZrC的熔点最大值。 对于这个组合物该熔化温度处于4205K，然而纯粹成分的熔点处于3805K (ZrC)或4150K(TaC)。一个冶金学的丝材制做或者也可另外方式由所称合 金制造的发光体元件都是花费昂贵的。由于混合晶的形成这类丝材就变脆，因 此一个拉丝(制造)是极其困难的。作为本发明基础的构思是，该发光体基于 只由一种金属碳化物-组分构成的丝材并且通过覆层工艺设置另外高熔点的组 分，其在它们的组合结构中造成一个挥发压力降低。

通过同时应用两种处于混合中的覆层组分就实现一个立即的蒸发压力降 低。通过这种工艺技术上部分简化地使两种覆层组分在相互叠置的薄层中的操 作应用-该薄层在灯运行中相互扩散并因此形成一个混合-即可实现一个类似的 快速作用的蒸发压力降低。

原则上，一个覆层组分可以与该基质是等同的。在一个这种形式的构象 中，原则上说可能的是，只覆置一种由另外材料构成的覆层组分，从而在基质 与覆层组分的扩散混合之后于表面附近该挥发压力被降低。当然这个效应只有 在运行了确定的时间以后才会发生，同时一个具有两个组分的覆层实际上没有 初运行阶段就起作用了。

其中，长时期地在若干运行小时之后甚至可能通过扩散混合在整个支承 体材料中实现一个合金生成。作为选择，合金的这个生成被集中在发光体的表面 上。至少有些组分也可以被富集在该表面上。采用措施可以借助几个实施例解 释。

(a)作为第一实施例首先被考虑一个由钽构成的发光体，例如一个由 圆丝绕制的钽螺旋(灯)丝。在该第一实施例中，另外金属如铪，铌和锆在一 任意覆层工艺中(如喷镀，CVD-沉积，电解沉积...)被覆置到钽丝的表面上。 通过中间连接地加热到温度一般在约2200K和2800K之间范围内，人们就可 以让通过覆层设置的金属扩散到该由钽构成之发光灯丝的内部。一般地，通过 覆层的盖置和接着通过扩散的均匀化被在多个阶段中实施。依此人们可获得一 个使被覆置的金属在钽中尽可能均匀的分布。然后在连接的渗碳中形成一个混 合碳化物，其在选择适宜的金属或合金比例情况下具有一个相比原始材料较高 的熔点或一个较低的蒸发压力。通过第二金属的积层就至少导致该核心边界的 部分稳定化。

(b)代替用钽人们在此也当然可以起用另外的金属作为基础材料。 例如可以将一个锆制丝材被覆层以铪或铌并且接着该铪或铌通过扩散被均匀地 分布在该(锆)丝中。最好是该合金又在多个阶段中形成，也就是说，首先被 覆置一个薄层的要被覆层之材料，然后人们可以将该层的材料一般在高于 2000K的温度上通过扩散被均匀地分布在基础丝材(此处为锆)的材料中。如 果人们将一个具有大差别膨胀系数的材料以过大的层厚度覆置到该(如丝材形 的)基础材料上时，则存在的危险是，这个(材料)在温度变化时会剥落，因 为它由于不同的热力膨胀系数导致了层应力。按照自然特性总是那个相应的金 属通过覆层被设置，即它对于其中存在熔点最大值的合金成分而言表现了缺 量。

(c)人们也可以在两个前面实施例(a)和(b)中于渗碳以前不做一 个完全的金属均匀化。因此一个尽可能的均匀化发生在渗碳时或者还部分地发 生在灯运行中。

(d)代替只将一种金属也可以在需要时将多种金属同时地或依次地 通过覆层被设置并且通过加热到适宜的温度上被扩散进入到基础金属中。

(e)在一个另外的实施例中追求，在灯丝的外部区域中使合金富集 化。如此外在V.Valvoda,L.Dobiasova,PKaren，(文章)“HfC和TaC之扩散合金 化的X-rax衍射分析”，材料科学杂志20，3605-3609(1985)中描述的，对于 不同碳化物的扩散混合必需一个确定的时间；并且甚至当材料被精细磨碎并被压 缩时，人们至少在2000℃附近温度时没有发现完全的混合。此处将作为例子被 如如下地处理。在一个可生成碳化物的金属之原始丝材上被覆置一个薄层的第 二种可生成碳化物的金属。此后在一个含有碳氢化合物的氛围中实施渗碳；最好 是在低于2500℃的温度上。在这样的温度时碳的扩散并因此该渗碳要比两种金 属相互扩散快很多。依此人们获得一个使由覆层配置之金属的碳化物在表面处 的富集化。然后在较高温度的灯运行中通过扩散发生碳化物一个至少部分的混 合；其中导致在表面上形成两种碳化物的髙熔点合金。如果人们例如用HfC覆 层了一个TaC制发光体，则随着灯之前进的运行时间在表面附近-在那里先前 存在着纯粹的HfC-造成一个与TaC的混合并结果导致熔点的提高或挥发压力 的降低。但是对于两种碳化物的一个完全混合还需要一个确定的时间，因而所 述混合也是不完全的。两种碳化物之一个完全的混合大多是不希望的，因为由 此所述在表面上存在缺量之碳化物的浓度就下降到如此微小的数值，以致于熔 点提高或蒸发压力降低的效应只还有相对微小(量)就终止了-除非，人们已经 覆层了如此多的第二种金属，以致于人们即使在一个相当大程度地混合以后还 发现在表面上一个相对大的使表现缺量之碳化物的富化作用。为了避免所覆层 的金属或在表面上形成之金属碳化物层的剥离，符合目的要求的是，而且此处让 通过覆层被覆置的金属至少部分方式地扩散进入到基础丝材中。依此人们可获 得一个由覆层设置的材料从丝材的外侧面朝丝材内部方向上的梯度，这个将减 小特别是在渗碳之后剥离的倾向。代替在第一金属上只沉积一种第二金属，人 们也可以同时将两种金属沉积到第一金属上。例如人们可以沉积一种由钽和铪 以希望分子比例80％对20％(构成)的混合物并接着实施渗碳。在渗碳以后人 们获得一个TaC-灯丝并具有一个在该灯丝外侧面上的高于纯粹TaC熔点的合 金：80％TaC+20％HfC。在这种情况下于灯运行中扩散混合情况下会立刻导致 发光体之外侧面上HfC的贫化并且结果导致熔点的下降或蒸发压力的提高。

(f)作为对最后所称实施例e)的选择，人们也可以代替一种金属同时 将一个第二金属碳化物沉积到一个第一金属碳化物上。作为例子，人们可以对 一个钽制发光体首先渗碳，并且然后将第二金属-碳化物—例如铪碳化物-沉积 到钽碳化物上。通过扩散则又如上面所述地导致该高熔点合金在表面上的富集 化。代替这个，人们也可以将一种碳化物混合(物)沉积在原始碳化物的发 光体上。作为例子，人们可以将一种钽碳化物和锆碳化物比例为80∶20的混合 物沉积在钽碳化物制的发光体上。依此在该丝材之外侧面上产生一种比纯粹TaC 较高温度熔化的合金。

(g)在制造方法方面理所当然在e)和f)之间的混合方式是可能的。作 为例子，人们可以将一种金属制丝材通过渗碳转化为一个金属碳化物并然后在 这个金属碳化物上沉积另外的金属或不同另外金属的混合物，它们此后才被补 充地渗碳。也可能的是，在纯粹的金属上沉积一个碳化物层。作为例子，一个碳 化物层可以通过灌注(Beschlammung)被覆置，此时碳化物粉末可以被磨碎得 很精细。在渗碳过程中，碳通过碳化物层扩散并且使金属转变为一个碳化物。

(h)在另一个优选实施例中，首先使这种在较高熔点合金中表现缺量 的材料被沉积在一个基础材料上，其一般是(但非强制的)这在高熔点合金中 表现过量的材料。此后该在合金中表现过量的材料被沉积在发光体上。例如人 们可以在一个钽丝上沉积铪并且通过这个铪层又设置一个钽层。此时人们可以 使这些金属首先部分地扩散混合并然后才渗碳，或者人们可以首先渗碳并然后 才可被扩散混合成碳化物。在渗碳和至少部分地扩散混合以后，人们获得一个 使钽碳化物和铪碳化物构成之较高熔点合金在表面上的富集化。代替沉积这些 金属并然后才渗碳，人们也可以同时又沉积该碳化物。

(i)至此已被基本上论述了具体实施例中的金属碳化物。而且当最感 兴趣的是实际应用中的碳化物时，此文中描述的原则也可以被转用到金属氮化 物和金属硼化物或者金属碳化物，金属硼化物和金属氮化物的合金上。

该覆层最好是通过传统的CVD-或PVD-方法被实施。但是也可以应用电 解沉积工艺，湿化学方法或灌注方法。

用于CVD-沉积显示了确定的反应类型：MeCI5+CH4+1/2H2->MeC+5HCI (Me＝Ta,Hf)。也可以代替氯化物应用另外的卤化物。

应用CVD-方法提供的选择是，在一个如此温度区域中实行沉积，即，沉 积比率在发光体的温度区域上发生变化。作为例子，观察一个具有常数螺距和 丝材粗度的发光螺旋灯丝，其中人们发现最高温度在该(温度)区域的中心附 近。因此在一个CVD-方法中于中心附近的区域中比在螺旋灯丝端部附近的较 冷区域中沉积了更多的材料。这个则导致，温度分布曲线沿着螺旋灯丝被均匀 化，这对使用寿命起有利作用。当然必须强调的是，此处被覆置的层厚应该在 遵循希望之(结构)成分的情况下首要地定位在该层结构之足够使用寿命的最 优化上并且很少地(定位在)关于螺旋灯丝温度分布曲线的平滑上。最终灯的 品质必须按照实验被最优化。在应用PVD方法或湿化学或灌注方法时人们在 一般情况下可获得发光体上之均匀的层厚度。典型的层厚度处于1μm-40μm区 域中。

附图说明

下面应该借助多个具体实施例详细地阐述本发明。附图表明了：

图1是一个具有碳化物-发光体的白炽灯之一个具体实施例，

图2是用于图1之白炽灯的发光体之第一具体实施例截面图，

图3是用于图1之白炽灯的发光体之第二具体实施例截面图。

具体实施方式

图1表明了一个单侧端被收口的白炽灯1具有一个由石英玻璃2构成的 灯泡，一个缩口3和内部的供电结构6，其将缩口 3中的薄片4与一个发光体 7连接。发光体是一个被简单螺旋化的、轴向配置的由作为支承体材料TaC制 的灯丝，其无螺旋的端部14则被横向于灯轴线地继续引出。外部的引线5从 外部连接到薄片4上。灯泡的内径是5mm。供电结构6既可以是由Mo，W或 Ta构成的单独构件或者它们也可是作为发光体非螺旋端部的组合一体的延续引 件。在供电结构的区域中的温度一般地最高处于2300K，该螺旋发光体7的温 度处于至少3000K。

在图1中示意表明的灯的由钽碳化物构成的螺旋灯丝，其基本结构形式 相当大程度地符合一个在市场上可买到的低压-卤素白炽灯，该螺旋灯丝是通过 对一个由钽丝(直径125μm)绕制成的螺旋(6灯丝线圈)渗碳而形成的。在 应用Xenon(氙)作为基础气体-其中还被添加了包含氢，氮，碳氢化合物和卤 素(J，Br，CI，F)的物质-情况下该灯在13V运行时具有一个功率消耗约40W， 其中表征特性的温处于3500K附近。

发光体7被设有一个覆层，其由TaC和HfC材料量比例(分子成分)为 80∶20的混合物制成的一个5-12μm厚度的层形成。

在图2中示意精确地描述了发光体7。在横截面中它具有一个由TaC构 成的支承体材料20，其构成核心。该典型直径是50-200μm，其上覆置一个层 材21，它如上述地由一个混合物：TaC/HfC构成。

在图3中示意精确地描述了一个发光体7的另一具体实施例。在横截面 中它具有一个由TaC构成的支承体材料20，其构成核心。典型直径是80- 120μm。其上设置一个第一层材22，其由ZrC或HfC或它们的混合物构成， 该厚度是约15μm。其上设置一个由TaC构成的第二层材23，其厚度是约10μm。

这些层材在使用寿命的进程中由于扩散式混合作用使它们的边界逐渐增 长地变模糊。但是在一个可能的加热过程(典型地持续几分钟)之后该层结构 在一个供出售的灯情况下总还是可以明显看出的。只有在若干小时点燃时间之 后才使层结构渐长地过渡到一个梯度结构。