Patentanmeldung Heraeus Noblelight GmbH Carbonstrahler mit Getter

Die Erfindung betrifft einen Carbonstrahler mit einem Strahler-Hüllrohr, einem sich darin befindlichen Filament aus Carbon und zumindest einem Kontaktbereich für einen elektrischen Anschlussleiter, welcher zu einem außen liegenden Anschlusskontakt geführt ist, wobei zumindest ein Getter innerhalb des Strahlerrohrs angeordnet ist.

Um Infrarot-Strahler oder Lichtquellen mit einem Filament aus Kohlenstoff als Strahlungsquelle (im folgenden als Carbonstrahler bezeichnet) herzustellen, müssen diese Filamente aus geeigneten Ausgangs-Materialien gefertigt werden. Diese Ausgangsmaterialien müssen in eine gewünschte Form gebracht und mittels geeigneter Prozesse in einen Kohlenstoff ausreichender Reinheit überführt werden. Das Ausgangsmaterial sollte dazu in einen reinen Kohlenstoff überführbar sein, wozu sowohl organische Stoffe, wie Baumwolle oder Bambus, als auch synthetische Verbindungen auf Kohlenstoff-Basis, wie Resine, carbonfaserverstärkte Thermo- oder Duroplaste, reiner Graphit oder Verbindungen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Bor geeignet sind. Entscheidend für den Einsatz und die Lebensdauer des Strahlers ist hierbei eine ausreichende Reinigung bei ausreichend hoher Temperatur mit genügend langer Dauer. Je nach Anforderung an die Strahler variieren die Reinigungsprozesse und somit auch die benötigten Fertigungs- Prozesse der Strahler erheblich.

Meist werden Carbonstrahler mit relativ geringen Filament-Temperaturen betrieben. So werden die beispielsweise in der US 6,654,549, der EP 1 298 961 oder der US 6,949,727 beschriebenen Carbonstrahler mit Filament-Temperaturen zwischen 900°C bis maximal 1000 ⁰ C spezifiziert. Dieser Temperaturbereich ist unkritisch im Hinblick auf Anforderungen an die benötigten Reinigungsprozesse. Selbst bei starken Verunreinigungen der Filamente oder Strahlerrohre mit Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff etc. kommt es zu keinen nennenswerten Ablagerungen von Kohlenstoff im Inneren des Strahlerrohres (Schwärzung). Auch kann das Strahlerrohr selbst in

geschwärzten Bereichen keine Temperatur erreichen, bei der eine Entglasung des Quarzglases auftritt. Als Entglasung wird die Phasenumwandlung des Quarzglases hin zu einer kristallinen Phase, z.B. Kristobalit verstanden. Bei der Carbonisierung eines stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials (z.B. einer auf Poly-Acrylo-Nitril (auch als PAN bezeichnet) basierenden Carbon- Faser) wird Stickstoff im Temperaturbereich unterhalb von 1100 ⁰ C nur in geringen Mengen freigesetzt. Dieser Stickstoff wird hierbei direkt über chemische Verbindungen mit dem gleichzeitig freigesetzten Sauerstoff und Wasserstoff in die Gasphase überführt. Liegt jedoch im car- bonisierten Filament kein Wasserstoff oder Sauerstoff mehr vor, so wird über molekulare Bindungen im Filament gebundener Stickstoff bei Temperaturen unterhalb von 1000 ⁰ C bis 1100 ⁰ C nicht mehr aus dem Filament freigesetzt.

Die EP 0 700 629 offenbart einen Carbonstrahler, der bei Filament-Temperaturen von 600 ⁰ C bis 1800 ⁰ C dauerhaft betrieben werden kann. Oberhalb von 1250 ⁰ C kommt es jedoch zu Veränderungen des Strahlers, wie der Ablagerung von Carbon im Strahlerrohr (Schwärzung). Bei Temperaturen oberhalb von 1350 ⁰ C wird zudem ein kleinräumiger Verlust von Carbon aus dem Filament beobachtet, welcher zu einem Durchbrennen des Filamentes an dieser Stelle führen kann. Beide Effekte führen mit zunehmender Temperatur zu einer Verkürzung der Lebensdauer. Dies bedeutet, dass Strahler dieser Art tatsächlich nur etwa bis zu einer Filamenttemperatur von 1400 ⁰ C mit kommerziell nutzbaren Lebensdauern verwendet werden können.

Da eine die Lebensdauer beeinflussende Abdampfung von Kohlenstoff vom Filament erst etwa ab 1800 ⁰ C erwartet wird, sind diese Transport- und Erosionsvorgänge vorrangig auf Kreislaufprozesse unter Beteiligung von aus dem Filament oder dem Strahler-Hüllrohr freigesetzten Verunreinigungen zurückzuführen. Dies sind neben dem bekannten Wasserkreislauf vermutlich auch Reaktionen mit Stickstoff, sowie wenn vorhanden mit Schwefel und anderen Spurenstoffen.

Um diese schädlichen Verunreinigungen zu beeinflussen gibt es wenige Ansätze in der Literatur: Die US 254,780 beschreibt den Einsatz von Chlor in Carbonlampen. Das Chlor reagiert beim ersten Betrieb des Filamentes mit dem Wasserstoff im Strahler-Hüllrohr oder Hüllkolben, so dass keine Schwärzung der Strahler-Hülle über den Wasserkreislauf eintreten können soll.

In der GB 1 085 420 ist beschrieben, wie bei der Fertigung von Carbonlampen roter Phosphor als Kurzzeitgetter im Kitt eingesetzt wird, der das Filament mit den Strom zuführenden Drähten verbindet. Dieser Phosphor wird beim Evakuieren des Glaskolbens durch das erste Betreiben

des Filamentes aktiviert und bindet durch chemische Reaktionen Wasserstoff und Sauerstoff (sowie ungewollt Kohlenstoff). Ferner ist in der GB 1 085 420 der Zusatz einer Mischung aus Graphit, Zirkoniumpulver sowie rotem Phosphor zum Zement beschrieben. Auch dieser Zement fixiert das Filament an den elektrischen Durchführungen. Beide Zusätze werden beim Verschließen der Lampe thermisch angeregt und binden zu diesem Zeitpunkt alle Verunreinigungen im Strahler (Getter-Wirkung), insbesondere die aus dem als Kleber genutzten Gummiarabi- cum freiwerdenden Stoffe. Nachteilig ist jedoch, dass die Verarbeitung von Zirkoniumpulver als extrem gefährlich einzustufen ist, da dieses bei ca. 160°C bis 18O ⁰ C bereits explosiv mit Luft reagiert und jederzeit durch elektrische Funken und andere Energiequellen gezündet werden kann.

Da auch der in der GB 1 085 420 beschriebene rote Phosphor feuergefährlich ist, wird als Ersatz Phosphornitrid P ₃ N ₅ als Getter eingesetzt. P ₃ N ₅ wird als Suspension in Ethanol oder Ethy- lenglykol gelagert, um eine Oxidation zu verhindern. Er muss schnell verarbeitet werden und stellt einen typischen Kurzzeitgetter dar, der bei einer ersten Aktivierung seine Wirkung entfaltet, jedoch langfristig freiwerdende Verunreinigungen nicht mehr binden kann.

Phosphor bildet also chemisch stabile Verbindungen auch mit Stickstoff, bevorzugt jedoch mit Sauerstoff und Kohlenstoff. Daher eignet sich Phosphor nicht als Getter für Stickstoff, wenn Kohlenstoff oder Sauerstoff vorliegen. Phosphor bildet zudem stabile Verbindungen mit Wasserstoff und Sauerstoff, so dass Phosphor als Getter den Wasserkreislauf sowohl durch Gettern von Sauerstoff, als auch durch Gettern von Wasserstoff unterbinden kann. Phosphor bindet jedoch nur die bei der ersten Aktivierung freiwerdenden Stoffe, nicht jedoch Verunreinigungen, die erst nach einigen Stunden Betrieb freigesetzt werden.

In der EP 0 700 629 wird zusätzlich beschrieben, Tantalbleche zur Fixierung von Splinten einzusetzen. Tantal ist nicht nur verhältnismäßig resistent gegen eine Carburierung, sondern auch als Getter für Sauerstoff einsetzbar. Da Tantal jedoch oberhalb von 1200 ⁰ C auch Carbide bildet, wird es spröde und zerfällt je nach Betriebstemperatur nach einigen 100 Stunden. Das starke überangebot von Carbon, insbesondere, wenn Tantal in direktem Kontakt mit dem Filament montiert ist, um über die höhere Temperatur eine besonders gute Getterwirkung zu erzielen, führt zudem dazu, dass das Tantal im Wesentlichen nicht Sauerstoff gettert, sondern Carbide bildet.

Die EP 0 700 629 beschreibt ferner wie die Filamente aus Carbonfaser verstärktem Kunststoff hergestellt werden, wobei die Fasern als Gewebe oder unidirektional vorliegen und mit einem Resin umhüllt sind. Fasern auf PAN Basis enthalten bedeutende Anteile von gebundenem Stickstoff. Andere Fasern weisen andere herstellungsbedingte Verunreinigungen wie Schwefel auf. In dem Kunststoff finden sich neben Sauerstoff und Wasserstoff je nach Monomer noch Stickstoff und andere Beimengungen, sowie Verunreinigungen von Schwefel etc. die als Hilfs- stoffe für den Herstellprozess des Kunststoffes eingesetzt wurden.

Es ist bekannt wie Fasern und Resin mittels entsprechender Wärmeprozesse zu einem mehr oder weniger reinen Kohlenstoff weiterverarbeitet werden können. Das so gewonnene Kohlenstoffprodukt weist einen Restgehalt an Fremdatomen auf, der entscheidend von der Temperatur und der Dauer der Wärmeprozesse abhängt. Dabei ist die Herstellung von Filamenten aus Kohlenstoff ohne einen schädlichen Restgehalt an Beimengungen technisch möglich und wird mittels Prozessen, die oberhalb von 2000 ⁰ C und über viele Stunden hin ablaufen, sowie durch die Zugabe von Halogenen, die eine zusätzliche Reinigung bewirken, erreicht. Solche Prozesse und die dafür benötigten Anlagen sind jedoch einerseits extrem aufwendig und teuer, andererseits sehr unflexibel, da in einem Ofen zugleich große Mengen verarbeitet werden müssen, um verhältnismäßig günstige Produktionskosten zu halten.

ökonomische Prozesse zur Umwandlung und Reinigung des Ausgangsstoffes bei niedrigeren Temperaturen, kürzeren Zeiten und ohne Einsatz aggressiver Chemikalien können keine vollständige Entfernung aller anderen Elemente aus dem Kohlenstoffprodukt erreichen. Insbesondere fest eingebundene Elemente verbleiben dann in z.T. erheblichen Restmengen im Filament. Der Verzicht auf die vollständige Entfernung aller potentiell schädlichen Substanzen aus dem Carbon-Filament während der Herstellung bedeutet, dass die noch enthaltenen Beimengungen über lange Zeit hinweg ausgasen können. Diese später freigesetzten Verunreinigungen schädigen dann entweder das Filament selbst oder transportieren über weitere chemische Reaktionen, die dann zwischen der Gasphase und dem Filament ablaufen, Carbon vom Filament auf das Rohr (Kreisprozesse) und schädigen so indirekt den Strahler. Es hat sich gezeigt, dass eine besonders schädliche Wirkung insbesondere Sauerstoff und Stickstoff sowie Schwefel zeigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, schädliche Gase und durch sie verursachte Prozesse in Strahlern, welche bei Filament-Temperaturen oberhalb von 1000 ⁰ C, insbesondere oberhalb von 1250 "C

betrieben werden, zu vermeiden und somit die Lebensdauer dieser Strahler wesentlich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Der erfindungsgemäße Carbonstrahler mit einem Strahler-Hüllrohr, einem sich in dem Strahler- Hüllrohr befindlichen Filament und zumindest einem Kontaktbereich für einen elektrischen Anschlussleiter, welcher zu einem außen liegenden Anschlusskontakt geführt ist, sieht vor, dass zumindest ein Getter innerhalb des Strahlerrohrs angeordnet ist.

Unter Getter wird hier ein chemisch reaktives Material verstanden, das dazu dient, ein Vakuum oder eine Gasfüllung, die aus einem Edelgas, wie Argon, Krypton oder Xenon besteht, möglichst lange rein zu erhalten oder aber Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder andere Verunreinigungen, die aus dem Carbonband im Betrieb ausgasen, und Verbindungen der zuvor genannten Elemente sowie ihre Verbindungen mit Kohlenstoff ganz oder teilweise aufzunehmen. An der Oberfläche eines Getters gehen Gasmoleküle mit den Atomen des Gettermaterials eine direkte chemische Verbindung ein oder die Gasmoleküle werden durch Sorption festgehalten - sie lösen sich im Gettermaterial indem sie in Freiräume, die die Gitterstruktur der Getter bietet, diffundieren. Auf diese Weise werden Gasmoleküle eingefangen, was hier auch als Get- tern bezeichnet wird.

Ein derartiger Getter ermöglicht überraschenderweise, dass die über die Lebensdauer des Strahlers langfristig freiwerdenden schädlichen Restmengen an Gasen schnell innerhalb des Strahlers gebunden werden und so aus der Gasphase ferngehalten werden können. Dies führt dazu, dass die Lebensdauer des Strahlers deutlich erhöht wird.

Es hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Carbonstrahler mit einem Getter aus vorwiegend Zirkonium oder einer Legierung mit dem Hauptbestandteil Zirkonium besteht. Derartige Getter binden vorrangig Sauerstoff, sowie Stickstoff und auch Schwefel. Es ist hierbei, wie bei allen Carbon-Strahlern nicht notwendig, dass auch der Wasserstoff gegettert wird. Es hat sich gezeigt, dass es sogar vorteilhaft ist, wenn der Wasserstoff in der Gasphase verbleibt, also vom Getter nur in unwesentlichen Mengen absorbiert wird oder im Betrieb aufgrund der hohen Temperatur des Getters im Wesentlichen wieder frei gesetzt wird. Dies führt ebenfalls dazu, dass die Lebensdauer des Strahlers erhöht wird.

Auch ist es möglich, einen Getter zu verwenden, dessen Hauptbestandteil Vanadium oder Hafnium ist. Es hat sich gezeigt, dass Getter, die Beimengungen con Vanadium oder Hafnium enthalten, ebenfalls hervorragende Eigenschaften bezüglich des Getterns aufweisen.

Vorteilhaft ist es, wenn das Filament zusätzlich zur Carbonisierung thermisch behandelt ist. Die thermische Behandlung bewirkt, dass das Filament eine langfristige elektrische und mechanische Stabilität aufweist und somit besonders geeignet ist für den Einsatz in einem Carbonstrahler.

üblicherweise werden Getter auf einem Stahlblech montiert ausgeliefert und derart angeordnet, dass sie in der Nähe des Filaments angebracht sind. Da Stahlbleche zum Carburieren neigen, werden diese Getter mit Halterungen bevorzugt mittels eines gegenüber der Carburierung resis- tenteren Material, wie z.B. Refraktärmetallen, also Molybdän oder Tantal, oder auch mittels keramischer Komponenten umhüllt und so langfristig fixiert.

Da bei höheren Temperaturen des Getters Stahl zur Bindung von Kohlenstoff und nachfolgend zur Versprödung neigt, also zur Carburierung, ist es vorteilhaft, den Getter mechanisch mittels Blechen oder Vorrichtungen aus hochschmelzenden Metallen mit erst bei hohen Temperaturen einsetzender Carburierung zu fixieren. Hierbei haben sich Molybdän oder Tantal als geeignet erwiesen. Andere hochschmelzende Metalle eigen sich prinzipiell, sind jedoch, wie Wolfram schlecht umzuformen, oder wie Platin zu teuer,

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme der beigefügten Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Figur 1 : einen Carbonstrahler

Figur 2: eine Ansicht des Filaments mit dem angeordneten Getter.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Rundrohrstrahlers mit einem Filament aus einem Carbonband 1. Das Carbonband 1 ist mit Molybdänklammern 2 elektrisch kontaktiert und mit einer Feder 3 im Strahlerrohr 4 gespannt. Die anschließende Stromführung ist im Bereich der Quet-

schung 5 durch eine flächige Molybdänfolie 6 realisiert. Auf den Quetschungen 5 sind Sockel 7 sowie Litzen 8 für den elektrischen Anschluss montiert.

Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Getter 11, der auf einem vernickelten Stahlblech 12 angeordnet ist. Der Getter 11 wird von unten in die entsprechende Aussparung im Molybdänblech 13 gelegt. Das Trägerblech 12 des Getters wird so gebogen, dass beides am Molybdänblech 13 fixiert ist. Zusätzlich werden Trägerblech 12 und Molybdänblech 13 verschweißt. Das Molybdänblech 13 wird mit der weiterführenden Stromführung auf der Molybdänklammer 14, die das Carbonband 15 elektrisch kontaktiert, gehalten.

Ausführungsbeispiele;

Ausführungsbeispiel 1 :

In einem Carbon-Strahler, wie er beispielsweise in der EP 0 700 629 beschrieben ist, wird ein Getter bestehend aus einer Zirkonium-Aluminium-Legierung und auf einem vernickelten Stahlblech montiert, eingebracht. Bevorzugt ist der Getters mittels Punktschweißen nahe dem Ende des Filaments an einem Molybdänband befestigt. Direkt nach der Montage wird der Strahler verschlossen, evakuiert und der Getter mittels eines Hochfrequenzgenerators aktiviert. Bei Betrieb des Strahlers in einem Temperaturbereich, bei dem normalerweise Schwärzungen auftreten (1350 ⁰ C Filamenttemperatur), hat sich gezeigt, dass in den ersten 1000 Betriebsstunden keine Schwärzungen im Strahlerrohr entstehen. Die Hülle des Getters aus vernickeltem Stahlblech jedoch verfärbt sich und die Punktschweißungen lösen sich nach wenigen Stunden, so dass der Getter lose im Strahlerrohr liegt, jedoch seine Funktion des Getterns erfüllt. Es hat sich gezeigt, dass sich auch nach über 2000 Stunden Betrieb kein die Funktion beeinträchtigender Belag im Strahlerrohr bildet.

Ausführungsbeispiel 2:

In einem Carbon-Strahler wie er beispielsweise in der EP 0 700 629 beschrieben ist, wird ein Getter bestehend aus einer Zirkonium-Aluminium-Legierung und montiert auf einem vernickelten Stahlblech eingebracht. Dieser Getter wird zusammen mit seinem Halter aus vernickeltem Stahlblech in einen Molybdänbügel mit einer Aussparung für den Getter gelegt und anschließend wird dieser Molybdänbügel mittels Punktschweißen mit einer Molybdänklammer zum HaI-

ten des Filaments befestigt. Direkt danach wird der Strahler verschlossen, evakuiert und der Getter mittels eines Hochfrequenzgenerators aktiviert. Es erfolgt dann eine Vergoldung des Strahlerrohrs auf der gesamten Länge über einen Winkel von 180 °. Der Strahler wird nun bei einer Temperatur betrieben, bei der sonst Schwärzungen auftreten (ca. 1350 ⁰ C). In den ersten 1000 Stunden Betrieb ist keine Schwärzung im Strahlerrohr sichtbar. Die Hülle des Getters aus vernickeltem Stahlblech verfärbt sich allerdings, er bleibt jedoch in seiner Position und erfüllt weiter seine Funktion, so dass auch nach 2000 Stunden Betrieb das Strahlerrohr nahezu ohne Belag ist und der Strahler optimal genutzt werden kann.

Ausführungsbeispiel 3:

In einem Carbon-Strahler wie er beispielsweise in der EP 0 700 629 oder der EP 1 283 659 beschrieben ist, werden insgesamt vier Getter bestehend aus einer Zirkonium-Aluminium- Legierung und montiert auf einem vernickelten Stahlblech, eingebracht. Diese werden mittels Punktschweißung nahe den Enden der beiden Filamente an einem Molybdänband befestigt. Anschließend wird der Strahler verschlossen und dabei mit Argon mit einem Druck von ca. 800 mbar gefüllt und anschließend der Getters mittels eines Hochfrequenzgenerators aktiviert. Danach erfolgt eine Vergoldung des Strahlerrohrs auf der gesamten Länge über einen Winkel von 180 °. Bei Betrieb des Strahlers bei einer Temperatur von 1350 ⁰ C, wo normalerweise Schwärzungen auftreten, zeigen sich keine Verfärbungen im Strahlerrohr. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Hülle des Getters sich verfärbt und die Punktschweißungen sich lösen, so dass der Getter lose im Strahlerrohr liegt. Er erfüllt jedoch seine Funktion weiter, so dass auch nach über 2000 Stunden Betrieb das Strahlerrohr nahezu ohne Belag ist.

Ausführungsbeispiel 4:

In einem Strahler mit einer Glühwendel und einem in Reihe geschalteten Carbonfilament in jedem Stahlerrohr eines Zwillingsrohrstrahlers wie er in der DE 101 37 928 beschrieben ist, wird jeweils ein Getter am übergang zwischen der Glühwendel und dem Carbonband montiert. Es werden insgesamt zwei Getter aus einer Zirkonium-Aluminium-Legierung verwendet. Wie Figur 2 zu entnehmen, werden die auf einem vernickelten Stahlblech 12 montierten Getter 11 mit einem Molybdänblech 13 am elektrischen Kontakt 14 des Carbonbands 15 fixiert. Anschließend wird der Strahler verschlossen und dabei mit Argon mit einem Druck von ca. 1000 mbar gefüllt. Die Getter werden mit einem Hochfrequenzgenerator aktiviert. Danach erfolgt eine Vergoldung des Strahlerrohrs. Beim Betrieb des Strahlers mit einer Temperatur der Glühwendel von ca

2200 ⁰ C und einer Temperatur des Carbonbands von ca. 1250 ⁰ C werden aus dem Carbonband ausgasende Stoffe von den Gettern aufgenommen. Das vernickelte Stahlblech verformt sich und reißt, so dass die Getter bereits nach 400 Betriebsstunden des Strahlers kaum noch an ihrer ursprünglichen Position fixiert sind. Die Funktion der Getter wird dadurch aber nicht eingeschränkt. Auffallend ist, dass die ausgasenden Stoffe nicht nur von den Gettern aus der Zirkonium-Aluminium-Legierung sondern auch von anderen Bauteilen des Strahlers aufgenommen werden. Bestehen diese aus getternden Metallen, die eigentlich mechanische Funktionen ausfüllen, wie z.B. Stützscheiben aus Tantal, so können diese verspröden und langfristig ihre Funktion nicht mehr erfüllen. So ist eine geeignete Menge an Gettern zur Aufnahme sämtlicher Gase vorzusehen und die Glühwendel und das Carbonband sind räumlich so zu trennen, dass eine Diffusion der ausgasenden Stoffe am Getter vorbei hin zur Glühwendel weitestge- hend unterbunden wird.