HALOGENGLüHLAMPE MIT ABBLENDKAPPE AUS MO-LEGIERUNG

Die Erfindung betrifft eine Halogenglühlampe, die im wesentlichen einen Lampenkolben, eine Abblendkappe, drei Haltestifte und zwei Glühwendeln umfasst, wobei der Innenraum des Lampenkolbens mit einem halogenhältigen Gas gefüllt und zumindest ein Haltestift mit der Abblendkappe verschweißt ist.

Halogenglühlampen erzeugen sichtbares Licht, indem durch direkten Stromdurchgang eine Glühwendel aus Wolfram üblicherweise auf Temperaturen im Bereich von 2300°C bis 3200°C erhitzt wird. Für den Lampenkolben werden Hartgläser oder Quarzglas eingesetzt. Das Füllgas enthält neben Edelgas Jod, Brom oder Chlor, die zu den Halogenen zählen, alleine oder in Kombination mit halogenierten Kohlenwasserstoffen. Dadurch wird ein CVT (chemical vapour transport) Prozess, der so genannte Halogenkreisprozess, erzeugt, wodurch von der Glühwendel abgedampftes, an der Kolbenwand kondensiertes Wolfram wieder zurück zur Glühwendel transportiert wird.

Es ist bekannt, dass ein geringer Gehalt an Sauerstoff oder Wasserdampf im FüKgas die Regenerativität des Halogenkreisprozesses stark beeinflusst. In den Bereichen niedriger Temperatur werden gasförmige Wolframoxyhalide gebildet. Im Bereich der Kolbenwand wurden bei Verwendung von Brom WOsBr ₂ , WOBr ₂ und WeBr ₁₈ mit einem Intensitätsverhältnis von 400:10:1 detektiert. Numerische Simulation für mit 1 ,5x10 ^'3 bar HBr und Kr gefüllte Lampen zeigte, dass die Zugabe von 1x10 ^"5 bar Sauerstoff, den Partialdruck der Wolf ram enthaltenen Spezies im Bereich des Lampenkolbens um einen Faktor 7 erhöht. Ein geringfügig erhöhter Sauerstoff-Gehalt im Füllgas erhöht in empfindlichster Weise die Transportrate. Ist das Füllgas hingegen nahezu frei von Sauerstoff, tritt eine verstärkte Schwärzung des Lampenkolbens auf, da der Fülldruck des reaktiven Halogengases durch die Bildung von festen Halogeniden reduziert wird. Wird hingegen der Sauerstoffgehalt zu hoch, werden auch Komponenten des Lampengestells, die üblicherweise mit Ausnahme der Glühwendel aus einer Molybdänlegierung bestehen, erodiert. Molybdän nimmt damit am

Halogenkreisprozess teil und wird mit steigendem Sauerstoffgehalt verstärkt an der Glühwendel abgeschieden.

Sauerstoff wird auch über die Komponenten des Lampengestells in die Lampe eingetragen, wobei der Sauerstoff in oberflächlich adsorbierter, gelöster oder gebundener Form vorliegen kann. Speziell Unterschiede im oberflächlich adsorbierten Sauerstoff haben einen deutlichen Einfluss auf die Standzeit der Halogenglühlampe. Speziell bei Lampen, deren Komponenten des Lampengestells eine hohe Oberfläche aufweisen, lösen Unterschiede in der spezifischen Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche gravierende Schwankungen im Standzeitverhalten aus.

Dies ist besonders bei Halogenglühlampen mit Abblendkappe der Fall, da diese eine große Oberfläche aufweisen. Halogenglühlampen mit Abblendkappe kommen bei Kraftfahrzeugscheinwerferlampen zum Einsatz. Diese Halogenlampen werden üblicherweise als H4 Lampen bezeichnet. Die Abblendkappe befindet sich dabei im Innenraum des Lampenkolbens, der weiters auch zwei Glühwendeln und drei Haltestifte enthält. Eine Glühwendel ist dabei im Bereich der Abblendkappe angeordnet. Die Abblendkappe begrenzt den Lichtstrahl, wodurch eine Blendung verhindert wird. Diese Glühwendel wird als Abblendwendel bezeichnet. Die zweite Glühwendel befindet sich außerhalb des Bereiches der Abblendkappe und erzeugt das Fernlicht. Diese Glühwendel wird als Aufblendwendel bezeichnet. Die Abblendwendel ist mit der Abblendkappe und mit einem Molybdän-Haltestift verbunden. Als Fügeverfahren wird üblicherweise Widerstandsschweißen eingesetzt, wobei im Anschlussbereich der Glühwendel eine Hülse aus Molybdän aufgesetzt wird, um die Fügezone stabiler auszuführen.

Die Abblendkappe kann eine Schweißfahne aufweisen, die zur Verschweißung mit einem Ende der Abblendwendel dient, wie dies in der deutschen Patentschrift DD 2 24445 beschrieben ist. Diese Schweißfahne kann wiederum mit einer Querrippe ausgestattet sein, die zur Buckelverschweißung mit einem Ende der Abblendwendel dient. Der Boden der Abblendkappe ist üblicherweise flach ausgebildet und mit zwei Schweißwülsten versehen, die üblicherweise ebenfalls ein Buckelschweißen mit dem Molybdän-Haltestift ermöglichen.

Als Werkstoff für die Abblendkappe wurde bis dato nur Rein-Molybdän eingesetzt, da davon ausgegangen wurde, dass Legierungselemente die Konstanz des Halogenkreisprozesses beeinflussen. Im Besonderen wurden auch ODS (oxide dispersion strenghtened) Molybdänwerkstoffe auf Grund deren höherer Sauerstoffgehalte und deren zumeist halogenidbildenden Legierungselemente nicht eingesetzt.

Bei Verwendung von Abblendkappen aus Rein-Molybdän sind nun von Lampencharge zu Lampencharge Schwankungen im Standzeitverhalten festzustellen, wobei viele Einflussfaktoren diese bestimmen können. Zudem ist zu bemerken, dass die Fertigung von H4 Lampen unter großem

Kostendruck steht, sodass der Markt nur Lösungen akzeptiert, die kostenneutral oder kostensenkend sind.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine Halogenlampe mit Abblendkappe zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst konstante und lange Lebensdauer, bei möglichst geringen Kosten aufweist.

Ein weiteres Ziel ist es, eine Abblendkappe zur Verfügung zu stellen, die in möglichst geringem Ausmaß zu Lebensdauerschwankungen von Halogenlampen führt und weiters die Kosten dieser Abblendkappe im Vergleich zu bestehenden Lösungen zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird dies durch die unabhängigen Ansprüche erreicht.

Durch den Einsatz von Abblendkappen, die aus einer Molybdänlegierung bestehen, die 0,1 bis 1 ,5 Gew.% Yttriumoxid und / oder ein oder mehrere Oxide der Lanthanide enthält, kann ein deutlich konstanteres und verbessertes Standzeitverhalten von H4 Lampen erreicht werden. Dies zeigt sich auch an den Analysenwerten von Glühwendeln, die H4 Lampen entnommen wurden, die durch Hot-Spot Bildung der Glühwendel ausgefallen sind. Eine mögliche

Ursache für die Hot-Spot Bildung sind lokal erhöhte Molybdän Werte im Bereich der Glühwendel, wodurch es durch Herabsetzung der Schmelztemperatur zu einer Erhöhung der Selbstdiffusionsgeschwindigkeit des Wolframs und damit zu

einer Beschleunigung des Kriechens kommt. Durch Kriechphänomene kommt es in weiterer Folge zu einer Verringerung des Glühwendelquerschnitts, was wiederum eine lokale Erhöhung der Glühwendeltemperatur bewirkt. Diese lokal erhöhte Glühwendeltemperatur bewirkt eine Beschleunigung des Kriechens, wodurch sich ein selbst aufschaukelnder Effekt einstellt. Geringfügige Unterschiede im Sauerstoff bzw. Wasserdampfgehalt im Füllgas bewirken unterschiedliche Molybdänabtragraten. Da der Sauerstoff bzw. Wasserdampfgehalt im Füllgas äußerst gering ist, führt ein unterschiedlicher Sauerstoffeintrag, vom adsorbierten Sauerstoff der Abblendkappe herrührend, zu merkbar unterschiedlichen Sauerstoffgehalten im Füllgas und damit zu unterschiedlichen Molybdänabtragraten. Abgetragenes Molybdän nimmt in weiterer Folge am Hologenkreisprozess teil. Unterschiedliche Molybdänanteile bewirken zum einen Unterschiede in der Wirksamkeit des Kreisprozesses, zum anderen auch unterschiedliche Molybdän-Abscheideraten auf der Glühwendel. Ersteres kann zu verstärkter Schwärzung des Lampenkolbens führen, letzteres zu einem vorzeitigen Ausfall der Glühwendel. Analysen von eingesetzten

Glühwendeln zeigen bei Verwendung von Rein-Molybdän Abblendkappen einen schwankenden Molybdänwert. Rechnet man nun diesen integralen Wert auf eine hypothetische Stärke einer abgeschiedenen Mo-Schicht um, so ergeben sich bei Verwendung von Rein-Molybdän Abblendkappen Schichtstärken von 0,03 bis 0,55 μm. Bei Verwendung von Abblendkappen, die aus einer

Molybdänlegierung bestehen, die 0,1 bis 1 ,5 Gew.% Yttriumoxid und / oder ein oder mehrere Oxide der Lanthanide enthalten, können deutlich konstantere Werte erzielt werden, wie dies aus Tabelle 1 zu entnehmen ist. Da bei der Lampenherstellung gemäß den Beispielen nur das Material der Abblendkappe variiert wurde, ist davon auszugehen, dass die Verringerung der Varianz der Molybdänabscheidung auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Abblendkappe zurückzuführen ist. Da die Molybdänabscheidung wiederum primär nur vom Sauerstoff-, bzw. Wasserdampfgehalt des Füllgases abhängt, ist davon auszugehen, dass dieser im Falle von erfindungsgemäßen Abblendkappen konstanter ist. Dass hierbei die Abblendkappe einen dominierenden Einfluss ausübt, kann damit erklärt werden, dass die Abblendkappe die metallische Komponente mit der größten Oberfläche ist. Für den Lampenhersteller sind dabei die absoluten Werte des eingebrachten

Sauerstoffs bzw. Wasserdampfs von geringer Bedeutung, da diese durch entsprechendes Zudotieren eingestellt werden können. Werden hingegen unterschiedliche Gehalte an Sauerstoff bzw. Wasserdampf eingeschleppt, die von der Abblendkappe herrühren, kann dies bei der Lampenherstellung nicht mehr korrigiert werden. Eine besonders geringe Varianz der Mo-Abscheidung kann bei Einsatz von mit Y ₂ O ₃ und Y ₂ O ₃ x Ce ₂ O ₃ dotierten Werkstoffen erzielt werden. Dabei liegt der optimale Oxidgehalt bei 0,3 bis 1 ,0 Gew.%. Auch mit La ₂ O ₃ dotierten Werkstoffen konnten deutliche Verbesserungen erzielt werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass bei Gehalte > 0,5 Gew.% die Tendenz für Kolbenschwärzungen zunimmt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Abblendkappen liegt darin, dass die Wandstärke der Abblendkappe reduziert werden kann, ohne dass darunter die Festigkeit der Schweißverbindung leidet. So kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Werkstoffe die Wandstärke der Abblendkappe von 0,13 mm auf ca. 0,10 mm reduziert werden, bei nahezu gleich hoher Abziehkraft der Komponente Haltestift / Abblendkappe, wie dies in den Beispielen näher ausgeführt ist. Damit wird eine deutliche Verringerung der Kosten erreicht. Dies ist insofern von entsprechender Bedeutung, da in den letzten 10 Jahren durch die Einführung von H1 , H7, H8 und Entladungslampen die H4-Lampe unter hohem Kostendruck steht. Im Folgenden ist die Erfindung durch Beispiele näher erläutert. Figur 1 zeigt eine H4 Lampe mit einem Lampenkolben aus Hartglas. Figur 2 zeigt eine Abblendkappe mit angeschweißtem Molybdän-Haltestift.

Tabelle 1 zeigt die hypothetische Stärke der Molybdänschicht auf der

Abblendwendel.

Tabelle 2 zeigt die erforderliche Abziehkraft, um den Haltestift von der

Abblendkappe zu trennen.

Eine H4 Lampe -1- (siehe Figur 1) wurde entsprechend dem Stand der Technik gefertigt, wobei der Lampenkolben -2- in Hartglas ausgeführt wurde. Das Lampengestell bestand aus einer Abblendkappe -3-, die in Figur 2 im Detail

dargestellt ist. An die Abblendkappe wurde ein Molybdänhaltestift -A- an den zwei Scheißwülsten -9- und die Abblendwendel -5- über eine Hülse mittels Widerstandschweißen an der Querrippe -8- der Schweißfahne angeschweißt. An den zuvor genannten Haltestift -A- wurde die Aufblendwendel -5-, wiederum mit Hülse, verschweißt. Die noch nicht verbundenen Enden der Aufblendwendel -5-, bzw. Abblendwendel -6- wurden mit weiteren Molybdän-Haltestiften -A- verbunden. Die Fixierung der Haltestifte -A- erfolgte durch eine Brücke aus Hartglas. Das Lampengestell wurde mit dem Glaskolben -2- im Bereich der Haltestifte vakuumdicht verbunden. Es sei vermerkt, dass die erfindungsgemäßen Abblendkappen auch in Quarzglaslampen zum Einsatz kommen können, wo die gasdichte Stromdurchführung durch Einschmelzfolien, die mit dem Haltestift verschweißt sind, gewährleistet ist.

Für die Herstellung der Abblendkappe wurden unterschiedliche, Oxide aus der Gruppe Yttrium, Lanthanide enthaltende, Molybdänlegierungen eingesetzt, wie dies in Tabelle 1 wiedergegeben ist. Ausgehend von Bändern mit einer Stärke von 0,10 mm wurden die Abblendkappen durch einen Präge- / Stanzprozess hergestellt. Vergleichsweise dazu wurden auch Rein-Molybdän Abblendkappen hergestellt, die aus einem Band mit einer Stärke von 0,13 mm gefertigt wurden. Von jeder Materialsorte wurden 10 Lampen gefertigt und unter Standardbedingungen 1000 h kontinuierlich gestestet. Danach wurden die

Lampen zerstört, der Molybdängehalt der Glühwendel bestimmt und daraus ein hypothetische Mo-Schichtstärke berechnet. Diese Werte sind in Tabelle 1 wiedergeben. Es ist daraus ersichtlich, das der Streubereich bei Lampen mit Rein-Molybdän Abblendkappe deutlich größer, als dies bei Lampen mit erfindungsgemäßen Abblendkappen der Fall ist.

In einem weiteren Versuch wurden Versuchsteile hergestellt, indem nur ein Molybdänhaltestift mit einem Durchmesser von 0,6 mm mit der Abblendkappe entsprechend der Komponente aus Figur 2 mittels Widerstandsschweißen verbunden wurde. Danach wurde die Festigkeit der Schweißverbindung von 10 Proben durch einen Abziehtest im Zugversuch bestimmt und der Mittelwert berechnet. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Komponenten mit den erfindungsgemäßen Abblendkappen bei einer Wandstärke im Bodenbereich der

Abblendkappe von 0,10 mm vergleichbare Schweißfestigkeiten wie Rein- Molybdän Abblendkappen mit einer Wandstärke von 0,13 mm zeigen.

Tabelle 1

Tabelle 2