GOEBEL, Ruediger (Römerstr. 42c, Eichstätt, 85072, DE)
OSTERTAG, Andreas (Zieglerstr. 11, Pietenfeld, 85111, DE)
ROSENBAUER, Georg (Bahnhofstr. 15, Wassertrüdingen, 91717, DE)
DAMM, Matthias (Böhmerwaldstr. 37, Gaimersheim, 85080, DE)
GOEBEL, Ruediger (Römerstr. 42c, Eichstätt, 85072, DE)
OSTERTAG, Andreas (Zieglerstr. 11, Pietenfeld, 85111, DE)
ROSENBAUER, Georg (Bahnhofstr. 15, Wassertrüdingen, 91717, DE)
| Ansprüche 1. Halogenglühlampe, mit einem Leuchtkörper, der in ei¬ nem Kolben untergebracht ist, wobei im Kolben eine halogenhaltige Füllung untergebracht ist, wobei der Leuchtkörper zumindest an der Oberfläche aus einem Metallnitrid oder einer Legierung von Metallnitriden besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmes¬ ser des den Leuchtkörper umgebenden Kolbens höchstens 25 mm beträgt, wobei der Betriebsdruck in der Lampe mindestens 2 bar beträgt und wobei das Füll- gas neben Edelgas mindestens 0,1% Stickstoff enthält und wobei das Füllgas mindestens ein Halogen aus der Gruppe Fluor, Chlor, Brom, Jod enthält. 2. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus beschichtetem Substrat besteht, wobei das Substrat ausgewählt ist aus den Materialien W, Ta, Re, Os, C, Bornitrid oder Legierungen dieser Stoffe, und wobei die Beschich- tung ausgewählt ist aus den Materialien HfN, ZrN, TaN, TiN, NbN, A1N, Bornitrid oder Legierung dieser Nitride. 3. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper vollständig aus ei¬ nem Nitrid des Hf, Zr, Ta, Nb, Ti; AI, B bzw. einer Legierung von Nitriden besteht. 4. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Halogen und Wasserstoff enthält, wobei das molare Verhältnis Wasserstoff : Halogen < 5 ist. 5. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Brom und/oder Chor enthält, und dabei im wesentli¬ chen frei von Wasserstoff ist. 6. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich Kohlenstoff neben dem Halogen und ggf. dem Wasserstoff enthält. 7. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Kohlenstoff be- steht, der zuerst mit einem Metallcarbid, dann mit einem Metallnitrid beschichtet ist. 8. Halogenglühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einem IR- reflektierenden Material beschichtet ist. 9. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung halogenierte Kohlenwas¬ serstoffe enthält. 10. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Anteil des N2 zwischen 5 und 20 % beträgt, Randwerte eingeschlossen. |
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie sind insbesondere für den Betrieb an Mittelvolt bis Hochvolt (HV) mit ty ¬ pisch 80 bis 250 V gedacht.
Stand der Technik Der Wirkungsgrad von thermischen Strahlern wird im Wesentlichen bestimmt durch die Temperatur des Leuchtkörpers und die Strahlungsselektivität für den sichtbaren Bereich. Um die Effizienz der herkömmlichen thermischen Strahler mit Wolfram-Wendel zu steigern, kann man zum ei- nen Materialien mit höherem Schmelzpunkt als Wolfram einsetzen, welche den Gebrauch einer höheren Temperatur erlauben. Bekannte Beispiele hierfür sind z.B. die hoch ¬ schmelzenden Carbide wie Tantalcarbid, Hafniumcarbid, Zirkoniumcarbid usw., bzw. Legierungen dieser Carbide. Zum anderen kann man Materialien einsetzen, die einen größeren Teil der zugeführten elektrischen Leistung als sichtbare Strahlung anstelle von IR-Strahlung abstrahlen. Bekannte Beispiele hierfür sind neben den bereits erwähn ¬ ten Carbiden die Nitride einiger Übergangsmetalle wie z.B. Hafniumnitrid und Zirkoniumnitrid. Zusätzlich gehen in die Energiebilanz die durch die Lampenkonstruktion bzw. Lampenauslegung bedingten Verluste ein, wie insbesondere Wärmeableitung über die Wendelenden und das Füllgas, Wärmeabstrahlung der Wendelenden, Verluste in den Stromzuleitungen im vakuumdichten Glas-Metall-Übergang, welche aber im folgenden nicht weiter betrachtet werden. In US-A 5148080 wird der Gebrauch von Leuchtkörpern aus Nitriden vorgeschlagen, um die Effizienz von Glühlampen zu erhöhen. Vorgeschlagen wird die Nitrierung von Leuchtkörpern aus Hafnium oder Tantal oder Hafnium-Tantal- Legierungen, wobei die Metalle durch chemische Reaktion in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre in Nitride umgesetzt werden. Da die Schmelzpunkte der reinen Metalle (z.B. Hafnium: Schmelzpunkt 2227°C) deutlich unterhalb denjenigen der Nitride (z.B. bei Hafnium-Nitrid 3310°C) bzw. typischen Leuchtkörpertemperaturen liegen, erfolgt die Nitrierung zunächst bei typischerweise 1500°C. Wäh ¬ rend der Nitrierung kann die Temperatur allmählich gesteigert werden. Charakteristisch für die so gewonnenen Leuchtkörper aus Metallnitriden ist, dass das Metallnit- rid unterstöchiometrisch ist - d.h. es enthält weniger als 50 Atom-% N. Alternativ kann der Leuchtkörper auch einem Substrat - z.B. Wolfram - gefertigt werden, auf welchem durch bekannte physikalische (z.B. PVD) oder che ¬ mische (z.B. CVD) Prozesse Hafnium, Tantal oder Legierun- gen abgeschieden werden. Die Beschichtung wird anschließend ebenfalls nitriert.
Zwar besitzen die technisch interessanten Nitride wie HfN bzw. ZrN vergleichsweise hohe Schmelzpunkte im Bereich um oder über 3000°C. Sie zersetzen sich jedoch thermisch be- reits bei deutlich niedrigeren Temperaturen unter Abgabe von Stickstoff bzw. Verdampfung von Metall. In US 514080 wird beschrieben, dass sich der Leuchtkörper stabilisieren lässt, wenn er in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre betrieben wird. In GB 2124023 wird die Beschichtung von Glühkörpern mit Suspensionen von Nitriden (z.B. HfN, ZrN) beschrieben, die als Getter wirken und die die Wendel stabilisieren.
In Proceedings of 8 th International Symposium on the Science and Technology of Light Sources (LS-8), L. Bigio, „Investigation of HfN coatings on tungsten for incandes- cent lamp efficacy improvement" , p. 188-189, (1998) wird der Gebrauch von mit HfN beschichteten Glühwendeln in Glühlampen beschrieben. Das HfN wurde hier mittels der CVD-Methode auf den Glühwendeln abgeschieden. Durch Betrieb der Glühwendeln in reinem Stickstoff oder in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre konnte die Abdampfung der Schicht weit zurückgedrängt werden. Bei Kaltfülldrü ¬ cken von unter 1 bar (600 Torr, typischer Fülldruck von Glühlampen) wurde die Lebensdauer einer 3 μιη - 5 μιη dicken Schicht zu 300 h bis 500 h ermittelt. Der Effizienz ¬ zuwachs lag zwischen 10% und 15%.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halo ¬ genglühlampe bereitzustellen, die hohe Effizienz erzielt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk ¬ male des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Dem hier beschriebenen Vorgehen liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Performance beim Einsatz von mit Nitrid beschichteten Leuchtkörpern zu steigern, d.h. insbesondere die Lebensdauer der Beschichtung zu erhöhen. Dies wird durch folgende wesentliche Merkmale erreicht:
Erstens wurde bisher der Betrieb von Nitrid-beschichteten Leuchtkörpern lediglich in Kolben von Glühlampen beschrieben (Betriebsdruck bei etwa 1 bar oder nur wenig oberhalb 1 bar) . Von Vorteil ist jedoch der Gebrauch von Nitrid-beschichteten Leuchtkörpern in Kolben aus Quarzglas, Hartglas bzw. Keramiken, deren Durchmesser demjenigen von typischen Halogenlampen entspricht. D.h. er liegt bevorzugt im Bereich unterhalb 25 mm, besonders bevorzugt unterhalb 20 mm. Dies erlaubt die Verwendung deutlich er ¬ höhter Betriebsdrücke. Typisch liegen sie im Bereich oberhalb 2 bar, bevorzugt im Bereich zwischen 5 bar und 25 bar. Durch den höheren Betriebsdruck wird die Abdampfung der Schicht durch die bei höheren Drücken deutlich langsamere Diffusion drastisch verringert.
Je höher der Stickstoff-Partialdruck im Füllgas, desto besser wird die Nitrid-Schicht stabilisiert. Bei Gebrauch höherer Gesamtdrücke lassen sich größere Stickstoff- Partialdrücke realisieren, ohne dass die Lampengüte durch die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit oder der Transportra ¬ ten negativ beeinflusst wird. Zum Beispiel entspricht ei ¬ ne Mischung 90% Kr / 10 % N 2 bei einem Gesamtdruck von 1 bar einem Stickstoff-Partialdruck von 100 mbar. In einer Halogenlampe mit einem Betriebsdruck von 8 bar erhält man für ein Füllgas 90% Kr / 10 % N 2 einen Stickstoff- Partialdruck von 800 mbar und somit eine erheblich bessere chemische Stabilisierung der Schicht auf Grund des hö ¬ heren Partialdrucks . Zur Realisierung eines Stickstoff- Partialdrucks von 800 mbar bei einem Gesamtdruck von nur 1 bar wie in einer konventionellen Glühlampe müsste man eine Gasmischung von 20% Kr und 80% N 2 einsetzen. Dies bedingt jedoch in der Lampe durch den dadurch bedingten großen Molenbruch des Stickstoffs beim Massenwirkungsge ¬ setz eine deutliche Erhöhung der Wärmeverluste durch Wär ¬ meleitung über das Füllgas, sowie eine Erhöhung der Transportraten durch die schnellere Diffusion in Stickstoff. Mit anderen Worten bewirkt eine Erhöhung des Stickstoff-Anteils bei konstantem Gesamtdruck zwar eine bessere chemische Stabilisierung der Nitrid-Beschichtung, verursacht jedoch andererseits eine deutliche Verringe- rung der Effizienz durch die vergrößerte Wärmeleitfähigkeit, bzw. wirkt durch Erhöhung der Transportraten in Richtung einer Beschleunigung der Abdampfung der Be- schichtung. Somit wird in einer konventionellen Glühlampe mit einem Betriebsdruck um oder nur wenig über 1 bar der eigentlich positive chemische Effekt des erhöhten Stick ¬ stoff-Partialdrucks durch die beschriebene erhöhte Wärme ¬ leitfähigkeit zum Teil kompensiert bzw. sogar u.U. über ¬ kompensiert .
Zusammenfassend wirkt sich ein höherer Gesamtdruck, bei gleicher Zusammensetzung des Stickstoff enthaltenden Füllgases, in doppelter Hinsicht positiv aus: deutliche Verlangsamung der Schicht-Abdampfung durch verringerte Diffusionsgeschwindigkeit ; bessere chemische Stabilisierung der Nitrid-Schicht durch größere N2-Partialdrücke .
Zweitens ist bei Gebrauch von kleinen Kolbendurchmessern die Verwendung eines Halogenzusatzes zum Füllgas erfor ¬ derlich. Dadurch wird die Abscheidung von metallischen Komponenten an der Kolbenwand verhindert. Zudem hat der Halogenzusatz unter Verwendung geeigneter Halogene bzw. Randbedingungen eine regenerative Wirkung hinsichtlich der Lebensdauer der Beschichtung, d.h. er wirkt sich lebensdauerverlängernd auf die Schicht aus.
Dampft zum Beispiel aus einer Zirkonnitrid-Beschichtung langsam Zirkonium aus, so wird dieses nahe der Kolbenwand in Zirkoniumbromid umgewandelt, welches - im Gegensatz zum Zirkonium - nicht an der Kolbenwand ausfällt. Durch den Halogenzusatz wird also ein Ausfall von Zirkonium an der Kolbenwand verhindert. Das Zirkoniumbromid zersetzt sich erst bei Temperaturen um oder oberhalb ca. 2100 K bis 2600 K, je nach Randbedingungen und Halogenkonzentra ¬ tion. Es wird in dem entsprechenden Temperaturbereich am Leuchtkörper abgeschieden. Im Temperaturbereich von ca. 2100 K bis ca. 2600 K hat dieser Zr-Br-Kreisprozess somit eine regenerative Komponente, d.h. der Halogenzusatz trägt zur Verlängerung der Schichtlebensdauer bei. Das abgedampfte Zirkonium wird somit zumindest teilweise zum im geeigneten Temperaturbereich befindlichen Leuchtkörper zurücktransportiert. Zusammen mit dem Stickstoff aus dem Füllgas bildet sich wieder Zirkoniumnitrid an der Wendel ¬ oberfläche. Somit wird das abgedampfte Zirkonium über ei ¬ nen Kreisprozess zur Wendel zurück transportiert, während der Stickstoff direkt aus dem Füllgas als Reagenz zur Nitrierung zur Verfügung steht. Man benötigt also keinen Kreisprozess für die Stickstoff-Komponente im ZrN.
Wasserstoff im Überschuss gegenüber der Brom- Konzentration wirkt reduzierend auf Zirkoniumbromide im Temperaturbereich zwischen 1000 K und 2500 K ein. Eine Kolbenschwärzung ist dennoch nicht zu befürchten, weil unterhalb 1000 K die reduzierende Wirkung des Wasser ¬ stoffs stark eingeschränkt ist. Die regenerative Wirkung auf die Beschichtung im genannten Temperaturbereich wird jedoch stark abgeschwächt. Das molare Verhältnis Wasser ¬ stoff :Brom sollte daher bevorzugt 5:1 nicht übersteigen.
Zirkoniumchloride zerfallen bei noch höheren Temperaturen als Zirkoniumbromide. Somit wird Zirkonium über den ge ¬ samten heißen Bereich des Leuchtkörpers bis hin zu Tempe ¬ raturen von 2700 K bis über 3000 K - je nach Chlor- Konzentration - mit steigender Temperatur zunehmend freigesetzt. Bei typischen Leuchtkörpertemperaturen oberhalb 2600 K besitzt somit der Zirkonium - Chlor - Kreisprozess eine deutliche regenerative Komponente, d.h. durch den gezielten Rücktransport von Zirkonium zum Leuchtkörper, verbunden mit einer Nitrierung unter Einbeziehung des Stickstoffs im Füllgas, kann die Lebensdauer der Be- Schichtung deutlich verlängert werden. Wasserstoff wirkt - wenn auch nicht stark - reduzierend auf Zirkoniumchlo ¬ ride in einem mittleren Temperaturbereich um 2000 K ein, und führt zur Verringerung der Zirkonium-Löslichkeit in der Gasphase im Bereich 1500 K - 2500 K. Er führt somit - sofern das molare Verhältnis Wasserstoff : Chlor das Verhältnis 5:1 nicht übersteigt, zu einer Abschwächung, aber nicht Unterbindung der regenerativen Komponente des Kreisprozess. Z.B. ist bei einem molaren Verhältnis Was ¬ serstoff : Chlor = 1 : 1 die regenerative Komponente des Kreisprozess noch stark ausgeprägt.
Analoge Aussagen lassen sich z.B. für die Verwendung von Brom oder Chlor in mit Hafniumnitrid beschichteten bzw. aus Hafniumnitrid bestehenden Leuchtkörpern ableiten.
Je nach Randbedingungen ist auch der Einsatz der anderen Halogene Fluor und Jod zweckmäßig. Bei der Herstellung der beschichteten Leuchtkörper lässt sich die Anwesenheit von Sauerstoff mit vertretbarem Auf ¬ wand meist nicht komplett ausschließen. Die Anwesenheit von Sauerstoff in den Nitrid-Schichten setzt meist schon bei kleineren Konzentrationen im Bereich von wenigen Atom-Prozenten die Strahlungsselektivität im Sichtbaren deutlich herunter, weil die Sauerstoffeinlagerungen eine drastische Erhöhung des Emissionskoeffizienten im IR bewirken. Hier wirkt sich der Gebrauch von halogenierten Kohlenwasserstoffen vorteilhaft aus, weil der Kohlenstoff zu einer Reduktion der Oxide unter Bildung des von Temperaturen von knapp unter 1000 K bis hin zu über 4000 K extrem stabilen Kohlenmonoxids führt. Im Falle von Sauer ¬ stoff-Einlagerungen wirkt die Zugabe von halogenierten Kohlenwasserstoffen somit effizienzerhöhend. Nach der weitgehenden Entfernung des Sauerstoffs aus der Schicht werden geringe Mengen an Kohlenstoff in die Beschichtung eingelagert, meist nur wenige Prozent, oft weniger als
Z. o · Zusammenfassend ist auf Basis der obigen Ausführungen die Verwendung von halogenierten Kohlenwasserstoffen - wie in „konventionellen" Halogenlampen mit Wolframwendel üblich - zweckmäßig, also z.B. CH 2 Br 2 , CBr 2 Cl 2 , CH 2 C12, CC1 4 , CHC12Br, CHC12I, usw. Besonders gute Ergebnisse zeigt die Verwendung CH2Br2 in relativ hoher Konzentration von etwa 500 bis 850 ppm (um Sauerstoff zuverlässig zu entfernen) , zusammen mit HfN bei etwa 0,7 bis 1,4 ym Schichtdicke, insbesondere 0,9 bis 1,1 ym. Die Effizienz lässt sich um etwa 10 bis 15% steigern. Typisch wird als Füllgas eine Kr/N2-Mischung verwendet. Der Kr-Anteil sollte bevorzugt 85 bis 93% betragen. Im Gegensatz zu US 5148080 wird erfindungsgemäß ange ¬ strebt, die Nitridbeschichtung möglichst stöchiometrisch auszulegen, um zu maximalen Effizienzsteigerungen zumindest zu Lebensdauer-Beginn zu gelangen. Dies ist erreich- bar z.B. durch Einstellung geeigneter Parameter beim Sputterprozess .
Das Substrat sollte möglichst nicht mit der Beschichtung reagieren. Wolfram bildet bei typischen Leuchtkörpertemperaturen keine Nitride, so dass Nitrid-Beschichtungen auf Wolfram-Glühwendeln stabil sind, d.h. dass das Wolf ¬ ram der Beschichtung keinen Stickstoff entzieht.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Substrate aus Kohlenstoff, z.B. Kohlenstofffasern, mit einem Metallnitrid, z.B. Hafniumnitrid, beschichtet. Bevorzugt wird dabei die Kohlenstofffaser zunächst mit einem Metallcar- bid, dann einem Metallnitrid beschichtet. Dadurch lassen sich die Vorteile der Stabilisierung des bei hohen Temperaturen betriebenen Leuchtkörpers aus der Gasphase bzw. aus einem inneren Depot kombinieren. Für die äußere Nit- ridbeschichtung erfolgt die Stabilisierung über den Stickstoff im Füllgas, bzw. über einen Metall-Halogen- Kreisprozess wie oben beschrieben. Auf diese Weise ist eine zumindest teilweise Regeneration der Beschichtung einfacher implementierbar als im Falle einer Carbidbe- Schichtung, bei der man den Kohlenstoff möglichst in den heißen Bereich des Leuchtkörpers zurücktransportieren muss. Die für eine regenerative Rückführung des Kohlen ¬ stoffs geeigneten Reaktionssysteme - z.B. das Kohlenstoff - Fluor System - erfordern zu ihrem Einsatz umfangreiche Zusatzmaßnahmen, z.B. Schutz der Kolbenwand gegen einen Angriff des Fluors. Dies kann bei Gebrauch der Nitridbe- schichtung entfallen, weil man auch ohne den Einsatz von Fluor eine zumindest teilweise Regeneration der Schicht erreichen kann. Ist die äußere Nitridbeschichtung schließlich abgedampft, so fungiert der äußere Metall- Carbidmantel als Strahlung emittierende Fläche. Der nach außen abdampfende Kohlenstoff wird - wie in DE-A 10 2004 052044 beschrieben - von innen heraus ersetzt, unter Verwendung eines Transportmittels - z.B. Wasserstoff - zu einem als „Senke" fungierenden Bauteil in der Lampe transportiert. Z.B. kann durch Wasserstoff ein Ausfall des Kohlenstoffs an der Kolbenwand verhindert werden, wo ¬ bei die sich dabei bildenden Kohlenwasserstoffe am Ge ¬ stell bzw. den Wendelabgängen unter Ablagerung von Kohlenstoff zersetzen. Der Vorteil der vorgeschlagenen Bauform liegt in der kombinierten Anwendung der beiden die Lebensdauer verlängernden Merkmale:
(a) Stabilisierung der Nitrid-Beschichtung über einen hohen Stickstoff-Partialdruck im Füllgas bzw. einen Metall- Halogen-Kreisprozess mit regenerativer Komponente und
(b) Stabilisierung der Carbidbeschichtung aus einem inneren Depot heraus .
Analog lassen sich auch Fasern aus Bornitrid mit Metall ¬ nitriden beschichten. Für die Beschichtung der Substrate mit Metallen (die dann nitriert werden) bzw. Nitriden kommen alle gängigen Be- schichtungsverfahren in Frage, z.B. CVD-und PVD- Verfahren, Bepastung, elektrolytische Abscheidung usw. Es können auch vollständig aus Metallen wie z.B. Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niob oder Titan bestehende Leucht ¬ körper durch Erhitzen in einer Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre nitriert werden. So können z.B. Glühwendeln aus Zirkoniumnitrid gefertigt werden.
Die durch die beschriebene Vorgehensweise erreichte Ver ¬ langsamung der Schicht-Abdampfung kann bei Bedarf dazu genutzt werden, die Temperatur des Leuchtkörpers leicht anzuheben und damit die Effizienz zu erhöhen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich durch den Gebrauch von
(1) Betriebsdrücken von deutlich über 1 bar unter Verwendung von Stickstoff enthaltenden Füllgasen und
(2) der Verwendung von Halogenzusätzen zum Füllgas, die Effizienz sowie die Lebensdauer einer Lampe mit Leuchtkörper mit Nitrid-Beschichtung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik deutlich steigern lassen, bzw. eine Abscheidung von Feststoffen an der Kolbenwand vermeiden lässt. Üblicherweise werden in thermischen Strahlern Edelgase als Inertgase eingesetzt. Je schwerer das Edelgas, desto höher die Effizienz bei gegebener Lebensdauer, weil sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Diffusionskoef ¬ fizienten mit zunehmender Masse des Edelgases abnehmen. D.h. je schwerer das Edelgas, desto geringer die Wärme ¬ verluste über das Füllgas; und desto langsamer erfolgt die unerwünschte Abdampfung von Material vom Leuchtkörper. Reiner Stickstoff wird wegen seiner großen Wärmeleitfähigkeit bzw. wegen den in ihm schnell ablaufenden Transportprozessen üblicherweise nicht in Glühlampen bzw. Halogenglühlampen eingesetzt. Stand der Technik ist der Zusatz von Stickstoff zu einem Edelgas, um elektrischen Durchschlag im Lampeninneren zu vermeiden. Da der Stick- Stoff sich in erwähnter Weise negativ auf die Lampengüte (d.h. die Effizienz bei konstanter Lebensdauer) auswirkt, ist man bestrebt, den Stickstoff-Gehalt möglichst gering zu halten. So ist der Stickstoff-Gehalt in (Halogen- ) Glühlampen praktisch immer kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 15%, und besonders bevorzugt kleiner als 10%. In jedem Falle bewirkt eine Erhöhung der Stickstoff- Konzentration eine Erniedrigung der durch die Transportprozesse bestimmten Lampengüte.
Abweichend davon weist der Stickstoff in Lampen mit Leuchtkörper mit Nitrid-Beschichtung eine zusätzliche, die Lampengüte erhöhende Wirkung auf. Je höher der Stick ¬ stoff-Partialdruck, umso geringer wird - wie oben beschrieben - die Abdampfung der Nitrid-Beschichtung vom Leuchtkörper. Dies führt dazu, dass sich bei einer Erhö- hung der Stickstoff-Konzentration die Lampengüte erhöht. Bei einer Erhöhung der Stickstoff-Konzentration überwiegt also die Verringerung des Gleichgewichtsdrucks über dem Leuchtkörper die Annahme der Effizienz durch erhöhte Wärmeableitung sowie die vergrößerte Diffusions- Geschwindigkeit. Erst bei drastischer Erhöhung des Stick ¬ stoff-Anteils nimmt die Lampengüte auf Grund der oben be ¬ schriebenen Effekte wieder ab. Während die Lampengüte von Lampen mit Glühkörper aus reinem Wolfram also mit steigendem Stickstoff-Gehalt monoton fällt, weist sie bei Lampen mit Nitrid beschichtetem Leuchtkörper ein Maximum auf . Je schwerer das Edelgas, bei desto geringeren Stickstoff- Gehalten liegt dieses Maximum. Dies ist darauf zurückzu ¬ führen, dass sich naturgemäß die die Lampengüte verrin ¬ gernden Eigenschaften des Stickstoffs umso stärker aus- wirken, je größer die Güteunterschiede bei Betrieb in reinen Edelgas bzw. in reinem Stickstoff sind.
Bei typischen Betriebsdrücken im Bereich zwischen 5 bar und 10 bar liegt für Lampen mit Nitrid, insbesondere HfN beschichtetem Leuchtkörper, der optimale Stickstoff- Gehalt für Lampen mit Xenon als Edelgas zwischen 10% und 40%, für Lampen mit Krypton als Edelgas zwischen 15% und 50%. Die optimalen Stickstoff-Gehalte sind also größer als diejenigen, die Stand heute bei Benutzung von Stickstoff zur Unterdrückung von elektrischem Durchschlag üb- lieh sind.
Wie hoch konkret der Stickstoff-Gehalt innerhalb der an ¬ gegebenen Bereiche gewählt wird, hängt von weiteren Rand ¬ bedingungen ab, z.B. dem Anteil der Leistungsverluste über die Wendelenden; dieser bestimmt, wie stark Wärme- Verluste über das Füllgas ins Gewicht fallen. Aus Kosten ¬ gründen ist der Einsatz größerer Stickstoffgehalte ratsam. Muss man die Temperaturen am Kolben bzw. den Kontakten begrenzen, sind Füllgase mit kleineren Stickstoff- Gehalten und damit geringerer Wärmeableitung zu bevorzu- gen.
Besonders erfolgversprechend ist die Beschichtung von Wolfram-Wendeln Alternativen sind anstelle von W die Materialien Re, Os, bzw. Legierungen aus Os, Re, W.
Eine Alternative als Leuchtkörper sind mit Nitrid be- schichtete C-Fasern. Die genannten Nitrid-Materialien, mit denen die Wendeln beschichtet werden, sind starke Getter für Sauerstoff. Wie erwähnt führt bereits eine nur geringe Einlagerung von Sauerstoff zu einer Zerstörung der Strahlungsselekt i- vität im Sichtbaren. Eine vollständige Vermeidung einer Oxidation der Nitrid-Beschichtung im Lampenbau gestaltet sich als schwierig. Daher sollte das Füllgas Komponenten enthalten, die die Metalloxide (z.B. HfÜ 2 und ZrC> 2 ) redu ¬ zieren können. Wasserstoff und Phosphor - wie von Lampen mit Wolfram-Leuchtkörper bekannt - sind hierfür nicht geeignet. Durch Kohlenstoff hingegen ist eine Reduktion der Metalloxide möglich.
Während man für Lampen mit einem Leuchtkörper aus Wolfram meist bestrebt ist, Halogenzusätze mit möglichst geringem Kohlenstoffgehalt zu verwenden (um eine Versprödung der Wendel zu vermeiden) , kommen für Lampen mit einem Leuchtkörper aus Nitrid bzw. mit Nitrid-Beschichtung auch Halogenzusätze mit einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt in Betracht, z.B. halogenierte, ungesättigte aliphatische und aromatische Kohlenstoff Verbindungen wie C2CI2, C2Br2, CeCle ·
Der Zusatz von weiteren Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen, kann zweckmäßig sein. Ziel sollte dabei sein, möglichst wenig zusätzliche störende Elemente in die Lam- pe einzubringen. Z. B. wird bei Zusatz von Methan (CH 4 ) Wasserstoff in die Lampe eingebracht. Zu viel Wasserstoff in der Lampenatmosphäre wirkt sich jedoch negativ auf den Metall-Halogen-Kreisprozess aus, und führt zu einer Ver ¬ ringerung der Effizienz über die verstärkte Wärmeablei- tung. Zweckmäßig für eine Entfernung von Sauerstoff- Resten in den Nitriden ist z.B. der Gebrauch von Verbin- dungen wie Dicyan (CN) 2 oder auch Acetonitril CH3CN. Durch Gebrauch dieser Verbindungen wird kein bzw. nur sehr wenig Wasserstoff in die Lampenatmosphäre eingetra ¬ gen. Das beim Zerfall dieser Verbindungen freigesetzte Cyan-Radikal reagiert nur bei den hohen Temperaturen des Leuchtkörpers mit dem Sauerstoff aus den Metalloxiden zu CO. Dadurch wird der Kohlenstoff sehr gezielt dort frei ¬ gesetzt, wo er gebraucht wird. Der beim Zerfall von CN entstehende Stickstoff stört ohnehin nicht. Zweckmäßig ist die Reduktion der Metalloxide vor dem Ab ¬ pumpen und Befüllen der Lampe. Dazu wird der zumindest an der Oberfläche Hafnium, Tantal, Zirkonium, Niob oder deren Nitride enthaltende Leuchtkörper in einer Atmosphäre aus einem Edelgas oder Stickstoff, welcher geringe Mengen einer Kohlenstoff enthaltenen Verbindung zugesetzt wurden, auf Temperaturen typischerweise im Bereich zwischen 1000 K und 3000 K (je nach Schmelzpunkt bzw. Dampfdruck des Metalls bzw. der Verbindung) erhitzt. Als Kohlenstoff enthaltende Verbindungen eignen sich etwa Kohlenwasser- Stoffe wie Methan. Dabei werden die in den Metallen bzw. Metallnitriden eingelagerten Metalloxide zu reduziert, wobei Kohlenmonoxid entsteht. Die dabei in geringem Aus ¬ maß eintretende Carburierung kann akzeptiert werden.
Bei niedrigen Temperaturen, wie sie nahe der Quetschkante auftreten, funktioniert die Reduktion der Metalloxide durch Kohlenstoff nicht mehr. Dies stört aber nicht, weil dieser Bereich praktisch keine Strahlung emittiert. Im Gegenteil ist diese Getterwirkung des Metalls nahe der Quetschkante erwünscht, weil so der anderweitig störende Sauerstoff dort gebunden werden kann. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zei ¬ gen :
Figur 1 eine Glühlampe mit Carbid-Leuchtkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leuchtkör ¬ pers für die Glühlampe gemäß Figur 1 im Schnitt ;
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leucht ¬ körpers für die Glühlampe gemäß Figur 1 im Schnitt ;
Figur 4 das Verhältnis der Emissivität von HfN und ZrN relativ zu W als Funktion der Wellenlänge;
Figur 5 den Dampfdruck von Hf als Funktion der Temperatur für verschiedene Füllungen.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt eine einseitig gequetschte Glühlampe 1 mit einem Kolben aus Quarzglas 2, einer Quetschung 3, und innere Stromzuführungen 6, die Folien 4 in der Quetschung 3 mit einem Leuchtkörper 7 verbinden. Der Leuchtkörper ist ein einfach gewendelter, axial angeordneter Draht aus TaC als Trägermaterial, dessen ungewendelte Enden 14 quer zur Lampenachse weitergeführt sind. Die äußeren Zuleitungen 5 sind außen an die Folien 4 angesetzt. Der innere Durch ¬ messer des Kolbens ist 5 mm. Die Stromzuführungen 6 sind entweder separate Teile aus Mo, W, oder Ta oder sie sind integral als ungewendelte Enden des Leuchtkörpers weiter ¬ geführt . Die aus ZrN bestehende Glühwendel der schematisch in Fi ¬ gur 1 gezeigten Lampe, deren grundsätzliche Bauform weit ¬ gehend einer auf dem Markt erhältlichen Niedervolt- Halogenglühlampe entspricht, ist durch Nitridierung ent- standen und weist bei Betrieb an 13 V eine Leistungsauf ¬ nahme von ca. 40 W auf, wobei die Farbtemperatur charakteristischerweise um 3500 K liegt.
In Figur 2 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbei ¬ spiel eines Leuchtkörpers 7 genauer dargestellt. Im Quer- schnitt weist er ein Trägermaterial 20 aus W auf, das den Kern bildet. Der typische Durchmesser ist 20 bis 200 ym. Darauf ist eine Schicht 21 aufgebracht, die aus einer Mi ¬ schung HfN/NbN besteht.
In Figur 3 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbei- spiel eines Leuchtkörpers 7 genauer dargestellt. Im Quer ¬ schnitt weist er ein Trägermaterial 20 aus Kohlenstofffa ¬ sern, das den Kern bildet. Der typische Durchmesser ist 80 bis 120 ym . Darauf ist eine erste Schicht 22 aufge ¬ bracht, die aus ZrC oder HfC oder einer Mischung daraus besteht, die Dicke ist etwa 3 ym. Darauf ist eine zweite Schicht 23 aus ZrN aufgebracht, deren Dicke etwa 2 ym ist. bevorzugt sollten die Schichtdicken 5ym pro Schicht nicht überschreiten, da sonst die Gefahr des Abplatzens besteht . Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Halogenlampe für den Betrieb an Netzspannung (d.h. 100V - 240V) in Noppentechnik. Die aus Wolfram bestehende Wendel wurde zunächst mit 2 μιη Zirkon beschichtet. Durch Reaktion in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre im Temperaturbe- reich zwischen 1200 °C und 1800 °C wird das Zirkonium zu- nächst in Zirkoniumnitrid umgewandelt. Direkt am Wendel ¬ halter bzw. an der Quetschkante 15 (siehe Figur 1) sind die Temperaturen für eine Nitrierung zu gering, so dass hier - sofern durch den Quetschprozess nicht entfernt - noch metallisches Zirkonium vorliegt. Dieses wirkt sich über die Lebensdauer vorteilhaft als Getter aus. Die Lampe wird befüllt mit 5 bar Xe/ 2 80%/20% so wie einem Ha ¬ logenzusatz von 500 ppm CH 2 Br 2 .
Ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel ist eine Nie- dervolt-Lampe (NV-Halogenlampe) . In einem CVD-Verfahren wurde der aus Wolfram bestehende Leuchtkörper mit Hafniumnitrid beschichtet; die Schichtdicke beträgt 5 ym. Die Lampe wird mit 7 bar Kr/N2 80%/20% + 700 ppm CH 2 C1 2 be ¬ füllt. Alternativ wird CC12BrH verwendet. Analog können die Lampen in Gestelltechnik ausgelegt werden, bzw. die Leuchtkörper aus Nitrid bzw. mit Nitridbe- schichtung können in Lampen mit IR reflektierender Beschichtung 16 (siehe Figur 1) auf dem Lampenkolben eingesetzt werden. Gerade bei Verwendung der Leuchtkörper zu- sammen mit der IRC-Technik ist der Gebrauch eines Halogenzusatzes im Füllgas erforderlich, um eine bei den ty ¬ pischerweise kleinen Kolbendurchmessern eintretende schnelle Kolbenschwärzung zu vermeiden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine mit ZrN (Schichtdicke 4 μιη) beschichtete 12V 50W Wolframwendel . Die Beschichtung sieht golden aus. Da sich das Zirkoniumnitrid auf einem stabilen Substrat befindet, wird das Problem der Sprödigkeit umgangen. Die Effizienzsteigerung gegenüber einer unbeschichteten Wendel liegt zwischen 10% und 20%. Die Wichtigkeit der Halogenzugabe verdeutlicht folgendes Experiment :
Ein Leuchtkörper mit ZrN-Beschichtung (aufgesputtert ) wird mit einer Füllung 5 bar Kr/ 2 88/12, 700 ppm CH 2 Br 2 bzw. alternativ ohne Halogenzusatz betreiben. Nach 50 Std. ist bei der halogenhaltigen Füllung die Beschichtung intakt, während bei der Füllung ohne Halogenzusatz die Beschichtung weitgehend abgedampft ist. Der Effizienzge ¬ winn mit ZrN-Beschichtung ist etwa 10%. Die Emissivitäten von HfN und ZrN im Vergleich zu Wolfram zeigt Figur 4. Hier ist erkennbar, dass im Sichtbaren der Strahlungsanteil für die Nitride deutlich höher als für W ist .
Durch Gebrauch einer Stickstoff enthaltenden Gasfüllung lässt sich die HfN-Schicht stabilisieren. Ohne N2 würde das HfN bei hohen Temperaturen gemäß der Gleichung
HfN -> Hf + 1/2N 2 zerfallen. Die thermodynamische Berechnung des Hf- Dampfdrucks über HfN bei Verwendung von Xe / N 2 - Gemi- sehen zeigt Figur 5. Dabei sind mögliche zusätzliche ki ¬ netische Faktoren nicht berücksichtigt.
Wie zu erwarten wird die HfN-Schicht umso besser stabili ¬ siert, je höher der Stickstoff-Partialdruck über der HfN Oberfläche ist. Die Dampfdruckkurven für 1 bar 100% N 2 und 9 bar Xe / N 2 99/10 liegen fast übereinander, weil die Stickstoff-Partialdrücke fast identisch sind (1 bar 100% N2 := 1000 mbar N2, 9 bar Xe/N2 90/10 := 900 mbar N2) . Bekannt sind Hf -beschichtete Wendeln in konventionellen Glühlampen. Demgegenüber bietet die Anwendung von HfN- beschichteten Wendeln in Halogenlampen deutliche Vorteile unter Anwendung eines wesentlich höheren Betriebsdrucks: (1) Höherer Partialdruck der N-Atome bei gleicher Gaszusammensetzung; dies führt zur schnelleren Rückreaktion zu Hf .
(2) Viel geringeres Abdiffundieren des Hf wegen höheren Drucks . (3) Die Verwendung von Xe statt Ar wird wirtschaftlich. Damit ergeben sich viel geringere Abdampfraten in Halogenlampen .
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer nume ¬ rierten Aufzählung sind: 1. Halogenglühlampe, mit einem Leuchtkörper, der in ei ¬ nem Kolben untergebracht ist, wobei im Kolben eine halogenhaltige Füllung untergebracht ist, wobei der Leuchtkörper zumindest an der Oberfläche aus einem Metallnitrid oder einer Legierung von Metallnitriden besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmes ¬ ser des den Leuchtkörper umgebenden Kolbens höchstens 25 mm beträgt, wobei der Betriebsdruck in der Lampe mindestens 2 bar beträgt und wobei das Füll ¬ gas neben Edelgas mindestens 0,1% Stickstoff enthält und wobei das Füllgas mindestens ein Halogen aus der
Gruppe Fluor, Chlor, Brom, Jod enthält.
2. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus beschichtetem Substrat besteht, wobei das Substrat ausgewählt ist aus den Materialien W, Ta, Re, Os, C, Bornitrid oder Legierungen dieser Stoffe, und wobei die Beschich- tung ausgewählt ist aus den Materialien HfN, ZrN, TaN, TiN, NbN, A1N, Bornitrid oder Legierung dieser Nitride.
3. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper vollständig aus ei ¬ nem Nitrid des Hf, Zr, Ta, Nb, Ti; AI, B bzw. einer Legierung von Nitriden besteht. 4. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas Halogen und Wasserstoff enthält, wobei das molare Verhältnis Wasserstoff : Halogen < 5 ist.
5. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der halogenhaltige Zusatz zum Füllgas
Brom und/oder Chor enthält, und dabei im wesentli ¬ chen frei von Wasserstoff ist.
6. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich Kohlenstoff neben dem Halogen und ggf. dem Wasserstoff enthält.
7. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Kohlenstoff be ¬ steht, der zuerst mit einem Metallcarbid, dann mit einem Metallnitrid beschichtet ist.
8. Halogenglühlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einem IR- reflektierenden Material beschichtet ist. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung halogenierte Kohlenwas ¬ serstoffe enthält. Halogenglühlampe nach Anspruch 1, dadurch ge ¬ kennzeichnet, dass der Anteil des N2 zwischen 5 und 20 % beträgt, Randwerte eingeschlossen.
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