用于白炽灯的发光体及其制造方法

专利名称：用于白炽灯的发光体及其制造方法
技术领域：
本发明基于根据权利要求1的前序部分所述的发光体。这种发光体被 用于通用照明和用于光学照相目的。此外，描述了一种关联的制造方法。
背景技术：
其中基于热电子发射来产生光的灯的使用寿命大多由发光体材料的 蒸发或者分解来确定。
于是，具有钨构成的白炽体的灯(例如白炽灯或者卣素白炽灯)的使 用寿命大多由鴒的蒸发来确定。此外，还有大量的其他故障机制，例如由 于卣素添加物对较冷的灯丝端部的化学侵蚀而造成的灯丝端部腐蚀、光弧
产生之后灯丝的熔断、由于易变的结晶界PHit成的灯丝的故障等等。然而，
这些机制主要只是在单个的灯类型中(例如在一些负荷特别高的灯类型中 的光弧形成是主要的故障原因)或者在有故障的灯中(例如具有提高的氧
气不纯7JC平的灯)起作用。大多数白炽灯以如下方式设计或者以如下方式
工作寿终最后由鴒蒸发来确定。所蒸发出的鴒朝着灯泡壁传送。
在具有金属碳化物构成的发光体的灯中，情况类似。具有由碳化钽构 成的发光体的灯具有的优点是，与具有鵠构成的发光体的灯相比，其可以 在高大约500K的温度下工作。然而，在较高的温度情况下出现根据2TaC <s> - > Ta2C <s>+ C <经>的碳化钽的迅速分解，其中形成脆的并且在较低 温度的情况下熔化的低碳化钽，参见例如Becker/Ewest的"Die physikalischen und strahhmgstechnischen Eigenschaften des Tantalcarbids，， (Zdtschrift fuer technische Physik， 第6期,第216页及 其后各页，1930年)。在该脱碳反应中形成的气态碳朝着灯泡壁传送。
为了避免从发光体中蒸发出的材料(即，例如在具有钨构成的白炽体
泡壁上，使用所谓的循环过程。作为例子的是 (a)鵠-卣素-循环过程
5M光体蒸发出的鴒在较低温度的情况下在灯泡壁附近结合成卣化
钨，这些卣化钨在大约200n以上的温度情况下是挥发性的并且并不沉积 在灯泡壁上。由此，防止了在灯泡壁上的鵠引发的故障。离化鵠化合物通 过扩散并且必要时也通it^t流朝着热的发光体向回传送，该卣化鴒化合物 在那里分解。在此变为自由的钨又积聚到发光体上。关于在具有钨构成的 白炽体的卣素灯中的卣素循环过程，存在大量的文献。对于在卣素灯中的 各种卣素循环过程的特征参见例如Lexika出版社1977年出版的 "Optische Strahlungsquellen"第4章"Halogen-Gluehlampen",和在其 中所引用的文献。
(b ) TaC灯中的碳-氢循环过程
在TaC分解时形成的气态碳朝着灯泡壁传送，在那里碳与氲反应成 碳氩化合物如曱烷。碳氢化合物被朝着热的发光体向回传送，在那里该碳 氢化合物又分解。碳在此又被释放并且可以聚集到发光体上，参见例如 US-A 2 596 469, US-A 3 022 438。
材料M光体中的蒸发(即，例如在具有鴒构成的发光体的灯中鴒的 蒸发，或者从具有金属碳化物构成的发光体的灯中碳的蒸发)并非均匀地 在整个发光体上进行，而是形成局部受限的位置，在这些位置上进行提高 的蒸发而在这些位置上发光体最后也故障。故障机制至少在原理上可以借 助"热点模型"来描述，如对于具有鵠灯丝的灯例如在H. Hoerster、 E. Kauer、 W. Lechner所著的"Zur Lebensdauer von Gluehlampen，， (Philips techn. Rdsch. 第165-175页，1971/72年)中所展示的那杯。由于沿着 发光体线的小的"干扰"，例如由于在晶界上提高的功率输入、材料数据 的小的局部变化、线直径的局部受限的减小、发光线中的局部的污染、在 使用灯丝时的两匝的过小的间距等等，导致在某一位置相对于周围略微 的、局部受限的加热(局部限制为最多两匝)。温度的局部升高引^^从该 位置增强地蒸发出材料，并且该位置由此优先相对于周围逐渐变细，由此 在该位置处的电阻增大。由于电阻的增大被限制到小的范围，所以由此发 光体的总电阻相比于在所观察的位置处的电阻实际上并未变化或者仅增 大了极低的部分。在具有增大的电阻的窄小受限的位置上出现提高的功率 输入，因为同样的或者仅仅比较而言sMt降低的电流流过现在具有增大的 电阻的位置。由此，温度被进一步升高，这又加速了该位置相对于周围逐 渐变细等等。以所描述的方式，加速了细的位置本身的形成，并且最后导 致在该位置处的发光线的烧断。在金属碳化物如碳化钽构成的灯中，相对于鴒构成的白炽体，作为其他的效应还出现的是，在碳蒸发时形成的低碳
化合物Ta2C具有比TaC高3以上的因子的电阻率，参见例如S. Okoli、 R. Haubner、 B. Lux所著的"Carburization of tungsten and tantalum filaments during low pressure diamond deposition" ( Surface and Coatings Technology," (1991)，第585-599页)。与在由钨构成的发光体的情况相
积。'。 ..、 ； 、 、 、
用于避免或者抑制上面所描述的故障机制的可能性现在在于从良光 体蒸发出的材料通过使用合适的循环过程而有目的地朝着发光体上最热 的位置向回传送，于是称作所谓的"再生性的循环过考呈"。
目前在具有钨构成的白炽灯丝的卣素灯中使用的循环过程(其使用溴 或者碘作为活性的卣素成分)并不是再生性的，因为鴒-溴或者鴒-碘化合 物远在2000K以下的温度时已分解。鵠由此大部分已积聚到较低温度的 位置上，或者非特定地沉积在发光体上；无论如何，并非选择性地朝着最 高温度的位置向回传送。由此，循环过程没有延长使用寿命的作用。为了 达到再生性的循环过程，需要如下的化学反应系统其中在主要在2800K 以上的有关温度范围中，鴒的蒸发速度随着温度升高的增加通过在鵠化合 物分解之后钨的沉积速度的增加来补偿或者8ML过补偿。对于具有钨构成 的白炽灯丝的灯，鴒氟系为合适的化学反应系统，参见例如Schroeder， PHILIPS Techn. Rundschau 1963/64第359页。在鵠-氟化合物热分解时， 依据氟的剂量或者其他成分的存在，鵠在2000K至3500K之间的温度的 情况下才被释放或者沉积。然而，氟或者含氟的化合物的化学反应性妨碍 了氟的应用，因此，氟在玻璃构成的灯泡壁上反应成SiF4并且由此停止 了循环过程。因此需要对玻璃灯泡的保护(例如通过涂覆有A1F3、 A1203 (其通过与HA应而形成钝态的A1F3层))或者使用对氟惰性的材料。这 些措施导致灯的成本明显提高。
在具有金属碳化物构成的发光体的灯中部分使用的上面提及的碳-氢 循环过程不是再生性的，因为碳-氬化合物大多已在1000K以下的温度下 几乎完全分解。
如果没有再生性的循环过程用于消除"热点"或者出于成本原因而不 能实现，则可以尝试借助其他措施以便在给定的光产出的情况下提高使用 寿命。例如，可以减小发光体材料的蒸气压力(参见例如针对具有金属碳 化物构成的发光体的灯的DE 10 2005 057 084.4);或者可以佳发光体在从其蒸发出的材料的连续流中稳定(参见例如DE 10 2005 052 044.5 )等等。 所有在实践中已公开的、使从发光体蒸发出的材料的传送緩慢的措施，即 例如提高填充压力、使用尽可能重的惰性气体、使用降低导热性的结构， 使得在恒定的光产出的情况下即使没有再生性循环过程也至少适度地提 高使用寿命。如例如在DE-U 83 12 136中所描述的那样，通过在恒定的 线直径的情况下调整灯丝节距对灯丝的温度廓线进行平滑同样有助于提 高使用寿命。替选地，也可以通过根据DD247 769A1的具有不同特性的 灯丝组合来影响沿着灯丝的温度廓线。
以下略为更详细地介绍通过改变灯丝线的横截面来平滑温度廓线并 且由此针对给定的光产出提高使用寿命的选择。
以下构思以如下观察为基础在其中光发射基于热电子发射的原理的 灯中，在灯工作中沿着发光体形成温度廓线，这导致在馈电装置附近的位 置处的温度明显低于馈电装置之间的中部的温度。此外，在灯丝内的辐射 传iH^了重要的作用。在此，从灯丝的一匝向内发射的辐射被其他匝的内
侧至少部分被吸收。辐射中未被吸收的部分^Ul射。两匝的内侧之间的距 离越小，则在其之间的辐射传送就越强，因为接收辐射的面"遮挡，，发射 面周围的较大的立体角。由此立即得到辐射传送也导致沿着灯丝形成温 度廓线，该温度廓线在灯丝中部具有其最大值，因为对于在灯丝中部处的 匝而言， 一匪距其他匪的所有间距之和最小。此外，引起在紧邻臣的侧面 之间的强烈的辐射传送。
在具有螺旋状的白炽体的灯中最高温度的位置因此大部分在灯丝中 部附近，而在灯丝端部附近的温度明显更低。发光线越粗或者越短，则通 常沿着灯丝的温度廓线就越陡，即在灯丝中部与灯丝端部之间的温度差就 越大。沿着灯丝的温度廓线对传送率有重要影响。在该上下文中已证明的 是，区分径向和轴向传送率，如例如在H. Hoerster、 E. Kauer、 W. Lechner 所著的"Zur Lebensdauer von Gluehlampen，， (Philips techn. Rdsch. ^2, 第165-175页，1971/72年)中所示的那样。径向传送描述了M光体蒸 发出的材料朝着灯泡壁的传送。该传送尤其是与发光体的材料的蒸发速度 成比例。如果(如在实践中的大部分情况下那样)假设以下情况在发光 体的表面上形成平衡蒸气压，则径向传送的传送率与发光体表面上的平衡 蒸气压成比例。轴向传送的速率与沿着灯丝轴线的材料的蒸发速度的梯度 成比例，或者在前面所描述的通常可用的近似中与沿着灯丝轴线的平衡压 力的梯度成比例。沿着灯丝轴线的温度廓线越陡，则平衡压力的梯度就越
8大，并且轴向传送的速率就越大。
通过对线粗调整可以实现温度廓线沿着灯丝的平整。为了阐述，因此 首先考虑线直径对线温度的影响。例如，如果使线在灯丝中部 W^变粗,
其原因主要在于该位置上由于较小的电阻导致的减小的功率输入，但也由 于其他效应，如由于较大的辐射面引起的较强的冷却。在线直径减小时， 情况相反。也就是说，如果想务使沿着灯丝轴线的温度廓线平滑，则必须 在灯丝中部比在灯丝端部处输入更少的功率或者散发更多的功率。
这可以通过将灯丝线在灯丝中部的直径设计得比在灯丝端部处的直 径更大而实现。于是，由于在灯丝中部更小的电阻而比在灯丝端部处输入 更少的功率，这使温度廓线趋向扁平。
在影响使用寿命方面重要的是由轴向和径向的传送构成的和，该和在 沿着发光体的位置上具有最大值。材料剥蚀的该最大值确定使用寿命。总 之，线粗的调整的目的是使确定灯的使用寿命的、由径向和径向传送构成 的和的最大值最小。在该意义上，在发光体上完全均匀的并且在灯丝端部 陡峭下降的温度分布并不理想。线圏中的轴向传送虽然等于零，但在灯丝 端部处获得沿着馈电装置的非常强的传送，该传送还与非常强的径向传送 叠加。于是，灯丝在灯丝端部或者馈电装置上迅速故障。更好的是，在线 圏中高的温度情况下，将温度下降i更计为使得径向传送和轴向传送构成的 和尽可能不改变。通常，在这样的情况下轴向传送朝着灯丝端部增加，但 这可通过径向传送随着下降的温度而下降来补偿。
将发光线的横截面以所希望的方式改变的可能性在于，在发光体的在
馈电装置附近的区域中，通过电解剥蚀而去除材料，如在DD217 084A1 中所描述的那样。
另一可能性在于，如在J. Schroeder所著的"Profilierung von Wolframwendeln in Gluehlampen durch chemische Transportreaktionen" (Philips techn. Rdsch. ^，第354-355页，1975/76年)+所描述的那样， 通过使用传送装置在较冷的区域中剥蚀鵠，并且在较热的区域中又沉积 鵠。例如，可以通过白炽灯丝在由惰性气体和氟构成的气氛中工作而在较 冷的位置中剥蚀鴒而在较热的位置上又沉积鴒，这导致温度廓线的平滑。 通过在以下所描述的措施，应当在没有再生性循环过程的情况下在恒定的 光产出时实现延长使用寿命，其方式是通过调整发光体的横截面而降低沿 着灯丝的传送率。

发明内容
本发明的任务是，在这类发光体的情况下提高使用寿命，并且提出一 种用于制造该发光体的方法。
该任务通过权利要求1的特征部分来解决。特别有利的扩展方案在从 属权利要求中。本发明的重要特征是，通过沉积工艺或者剥蚀工艺改变发
光体的横截面，这通常连续地进行，由此得到相对于在DD217 084A1中 所描述的电解剥蚀工艺以;M目对于在Philips techn. Rdsch. ^_第354-355 页(1975/76年)所描述的材料重排工艺的明显优点，对此在下面进一步 详细介绍。
为了有针对性地调节在灯丝的区域上尽可能扁平的温度廓线，适合的 是使用已知的循环过程的合适的逆反应。对此，通it^加合适的电压而将 灯丝引入到这样的温度范围中，使得传送灯丝材料的化合物在在灯丝中部 附近的最高温度的情况下近似完全地分解。这导致在白炽灯丝在气流中工 作的情况下(该气流尤其包^^有关的化学成分)，通过在热的灯丝中部附 近的沉积而获得了线粗的最大增长，而线粗的增加在灯丝端部附近比较 小。在此，至少在其中沉积速率强烈地随温度改变的温度区间上涉及自调 节系统。在灯丝中部的增强的沉积导致发光体温度在那里比在灯丝端部附 近的位置更为强烈地冷却，这又引起随着灯丝中部与灯丝端部之间降低的 温度差而降低沉积速率的差别。该系统因此以自调节的方式工作，即在灯 丝中部与灯丝端部之间的沉积速率的差别导致温度廓线扁平，这又导致沉
积速率的差降低。在理想情况下，当在灯丝端部与灯丝中部之间的温度差 完全被补偿时，沿着灯丝的沉积速率的差别消失。在完全调节之后，由此 沿着发光体的沉积速率大小相同。"过调制，，(即在灯丝中部设置比环境更 低的温度)由此是不可能的。要注意的是，化学反应系统仅仅在受限制的 温度区间上导致不同的沉积速率。例如，如果发光体工作使得某区域处于 如此高的温度以致携带发光体材料的成分完全分解，则在该温度范围中获 得相同的沉积速率，即不再补偿温度差。不重要的是，白炽体的相关区域 并不必处于如此低的温度，使得几乎不发生沉积。
通过温度控制的发光体材料的沉积来调整线粗可以视为再生性循环 过程的部分反应，因为沉积优选在较高温度的位置上进行。而与制成的灯 不同，在该过程步骤中，灯丝被引入如下的(通常不适于产生光的)温度 范围中在该温度范围中沉积速率沿着灯丝而改变。所描述的调整在灯的制造期间实施，为此灯丝(该灯丝可能已经固定在杆状灯中)在气流中工 作。调整也可以在完成绕制的灯丝上在固定于玻璃灯泡中之前进行。典型 的是，可以在几分钟内设置合适的线粗廓线，参见下面描述的实施例。当 调整直接在灯丝上进行或者灯填充以填充气体并且融化时，随后才完成灯
的构建，即灯丝固定并且夹在灯中。沉积反应也可以视为CVD工艺(CVD 二 ￡hemical ^apor Deposition,化学气相沉积)。
出于所描述的原因，灯丝必须在如下温度范围中工作4吏得沉积速率 在沿着灯丝出现的温度上明显变化。合适的温度范围在此很大程度上通过 所使用的化学反应系统的化学性质确定。最有利的是，如下化学反应系统 用于平整沿着灯丝的灯丝温度廓线对于该化学Jl应系统，在沉积期间的 温度尽可能对应于在灯工作期间的温度。由于在能量平衡中各个项有不同 的权重，所以针对施加的不同电压的灯丝温度廓线或者由此不同的最大灯 丝温度并不能通过简单的线性变换束波此转换。这样，沿着发光体的导热 以及在径向方向上通过填充气体朝着灯泡的导热在较低温度的情况下比 在发光体的典型工作温度的情况下起到相对来看重要得多的作用。根据辐 射定律，随着温度升高，辐射越来越显著。这导致，随着温度下降， 一方 面在灯丝端部附近的具有温度改变的区域扩;^得越来越宽，因为沿着发光 体线的热传导起着越来越大的作用，即随着温度下降在灯丝端部附近获得 增加扩展的温度廓线。另一方面，随着下降的温度，灯丝中部周围的温度 廓线越来越扁平化，因为辐射传送起到越来越小的作用。
在沉积期间，在任意位置的线粗(即使以不同的尺度)增加，使得随 着增加的沉积持续时间而导致温度的降低。由于沉积反应的速度随着下降 的温度而越来越小或者于是在较冷的区域中实际上不再发生沉积，所以合 适的是通过对电压的再调节(提高)使白炽灯丝保持在如下温度范围中 该温度范围对应于化学反应系统的"调节范围"。最优的是，电压的再调 节通过测量白炽灯丝的温度来控制。类似地，也可以进行功率控制的再调 节。由于在恒定的灯丝温度的情况下，功率消耗随着增加的线粗而上升， 在这样的情况下合适的是，通过短时关断所施加的电压来测量归因于线直 径的变化导致的冷电阻的变化并且接着相应地再调节功率。
所描述的沿着灯丝的温度廓线的平整在两个方面对材料传送的减低 产生有利的影响。 一方面，由于轴向的温度梯度的降低而导致明显地减少 轴向的传送。另一方面，在总体上相同的光通量情况下，与具有恒定线粗 的灯丝的情况中相比，在灯丝中部的最大温度略为更低，这在减小最大的径向传送方面产生有利的影响。总之，导致了最大材料剥蚀的减少，这在 使用寿命的延长方面产生有利的影响。
代替温度控制的沉积反应，也可以使用与此互补的过程，即发光体材 料的温度控制的剥蚀，用于产生具有调整的直径的发光体。考虑如下化学
传送反应作为例子
Me<s> + n X<g> = MeXn<g>
在此，Me代表金属发光体材料(例如钨)而X代表传送介质(例如卣素)。 在沉积反应中利用前体材料的温度控制的离解
MeXn<g>今Me<s> +n X <g>
来产生具有调整的直径的发光体。而在温度控制的剥蚀反应中使用传送介 质X与发光体材料Me反应而产生具有调整的直径的发光体。当例如在低 温情况下由发光体材料Me和传送介质X构成的前体在沉积反应中仅仅少 量离解并且由此化学平衡位于前体材料的侧时，则得到相反情况，即在通
总结如下
情况1:平衡Me<s> + n X<g> = MeXn〈g〉在低温情况下位于化合物 MeXn〈g〉的侧
沉积反应几乎没有沉积，因为MeXn〈g〉几乎不离解。
剥蚀反应强烈剥蚀，因为很多材料Me以气态的MeXn的形式被释放。
情况2:平衡Me<s> + n X<g> = MeXn〈g〉在高温情况下位于化合物 Me<s>、 X〈g〉的侧
沉积反应强烈沉积，因为前体MeXiKg〉相当大地离解。
剥蚀反应几乎没有剥蚀，因为材料Me几乎没有受传送介质X侵蚀。
在两种情况下(沉积Jl应和剥蚀反应)都获得了发光体，其在端部的 直径比在灯丝中部的直径小。这导致温度廓线沿着灯丝的平滑。在沉积反 应的情况下，在此在中部的发光体直径增大，在剥蚀反应的情况下，在端 部的发光体直径减小。对于这两种变形方案，该系统自调节地工作，即化 学过程朝着平滑温度廓线的方向起作用。200780028772.4
积反应和剥蚀反应合适的温度范围不必一定相
互一致。在剥蚀反应中存在如下优点至少在非再结晶的发光体材料的情 况下，剥蚀大部分相对均匀地进行。在再结晶的材料中，剥蚀在相同温度 时可以针对不同的晶面或者在晶界上与晶面相比以不同的速度进行。在沉 积反应中，在不利的边界^Ht下会导致微晶的生长，而不会导致均匀的沉 积。如果在前体的高浓度的情况下已经在气相中导致晶核的形成，则通常 观察海绵状微晶在表面上的沉积，但是这些海绵状微晶还可以在高温情况 下部分转换成更均匀的涂层。特别不利的是，在一些边界^Hf下出现的针 状的枝状结晶的生长。而在大部情况下可以找到反应条件，在这些反应条 件中进行均勻的沉积。用于产生均匀涂层的优选方法例如在于，首先在待 涂覆的表面上产生涂层材料的高晶核密度。对此，在实际涂覆工艺之前设 置有晶核形成步骤，该晶核形成步骤在与实际涂覆工艺不同的温度范围中 (大多在较低温度中)进行。在沉积反应中也优选使用还未再结晶的具有 源自拉伸工艺的纤维结构的线，因为在已再结晶的线中存在通过各个晶面
限定的对晶体生长的优选方向。在许多情况下，与剥蚀反应相比，沉积反 应由于使用合适的前体可以更容易地控制。
不仅Me<s> + n X<g> = MeX,g〉类型的简单的化学离解平衡适于通 过沉积反应或者剥蚀^^应调整发光体。当(a)存在化学反应速度的合适 的温度相关性和(b)发现合适的条件(在该M下进行均匀的沉积和未 进行晶体生长)时，也可以4吏用更复杂的>^应，例如前体MeX,g〉通过 还原剂Y〈g〉还原至Me〈s〉和化合物YX<g>。
以下描述了多种合适的反应系统。在此，始g介绍沉积反应，与其 互补的剥蚀反应的变形方案如前面所描述的那样相应地得到。反应系统的 化学性质大多已公开，新的是其有针对地使用来产生具有调整后的线粗的 灯丝或者通常具有调整后的直径的发光体。
(a)钨-卣素系中的沉积M
对于进行线粗的调整的基础在此是卣素循环过程的已公开的逆反应。 首先考虑具有鴒构成的白炽灯丝的灯。惰性气体和六氟化鵠构成的混合物 流经杆状灯(即大体上已制成，然而具有抽气杆的还未熔接的灯)。替选 地，调整也可以在灯泡外部在灯丝上进行，其方式是接触灯丝并且所提及 的气体混合物在灯丝周围流动。工作电压被选择为使得最大灯丝温度为大 约2700K。于是这导致钨在灯丝中部增强的沉积并且由此导致线粗的调 整。未受保护的由石英或硬玻璃构成的灯泡的使用在此是可能的而没有问题。尽管在WF6分解时所释放的氟在灯泡壁上反应成SiF4，但这能够被 接受，因为从外部持续地输送新的六氟化钨。这导致由具有调整后的线粗 的线形成白炽灯丝。在此有利的是，在仅略低于白炽灯丝的工作温度的、 大约3000K的温度下进行调整。由此，当在勉强低于2700K的温度下进 行调整的情况下设置平坦的温度廓线时，则该温度廓线也在3000K左右 的温度下还是非常平坦的。替选地，线粗的调整也可以通过氯化鴒、溴化 钨、；^ft钨或者氟氧化钨、氯氧化鵠、溴氧化鴒和碘氧化钨离解来进行。 由于不可避免的氧气的残留痕迹，而始终至少在痕迹中存在卤氧化钨，即 使使用纯的卣化鵠作为前体也是如此。例如，如果4吏用溴化鴒，则必须使 灯丝在典型在1700K以下的温度范围中工作。如果线粗被调整为使得在 1700K左右或者在1700K以下的工作温度情况下形成平坦的温度廓线， 则在该灯丝在3000K左右工作时形成的温度廓线由于辐射的影响增加而 不再如1700K左右的工作温度时的温度廓线平坦。
(b) —般地在高熔点的金属和卣素构成的系统中的沉积反应
对由鵠构成的白炽体所描述的关系也可以转移至由其他高熔点的金 属如钽、锇、铼等或者由这些金属的合金构成的发光体上。由于白炽体工 作在由惰性气体和相应的金属卣化物构成的气体混合物的流中，所以可以 实现发光体的直径的调整。在许多情况下，这些重要的化学传送反应 (Transportreaktionen )的化学性质在H. Schaefer于1962年所著的 "Chemische Transportreaktionen" ， Verlag Chemie中被描述。重要的是, 发光体的温度在沉积时与相应的化学反应系统的要求相匹配。优选地，又 使用相应金属的氟化物，因为氟化物在大多已非常接^JL光体的工作温度 的高温下才离解。
(c) 钨、钼等通过氢还原金属氟化物来沉积
六氟化钨通过氲还原成鴒，其中形成HF。在最简单的情况下，化学 反应可以通过
WF6<g> + 3H2今W<s> + 6 HF
来描述。至少在大约40ox:至iooor;之间的温度范围中，温度越高，则该 化学反应进行得越快。沉积速度以及沉积的一致性(枝状结晶的不希望的
生长或所希望的均匀的沉积)此外通过温度受WF6和h2的分压的关系以
及总压力影响。对于在该及^应系统和关联的反应系统方面的细节也参见例
如Jean F. Berkeley 、 Abner Brenner 、 Walter E. Reid所著的"VaporDeposition of Tungsten by Hydrogen Reduction of Tungsten Hexafluoride" (J. Electrochem. Soc.， 114 (1967年)6，第561-568页) 和A.M. Schroff、 Ci Deival所著的"Recent developments in the chemical vapor deposition of tungsten and molybdenum" (High Temperatures國 High Pressures, 1971年第3巻第695-712页)。
(d) 碳-卤素、碳-氢和碳-硫系中的沉积反应
考虑由碳纤维或者碳纤维束构成的白炽体作为另外的例子。在此，可 以类似地实现纤维厚度的调整，其方式是在2800K至3500K之间的范围 中、优选在3000K至3500K之间的范围中的温度下，发光体在由惰性气 体(例如稀有气体)和四氟化碳CF4构成的混合物中工作。其他碳-卣素 或者碳-氬化合物在远低于1000K的温度时已分解。通过利用这些系统来 调整是可能的，但是由于远低于工作温度的沉积温度而是略为不利的。对 于碳-卣素或碳-氢系统的化学性质，参见例如"Kohlefadenlampen mit einem chemischen Transport画zyklus ，， ( Philips techn. Rdsch. 35, 第 338-241页，1975/76年，Nr. 11/12 )和W. J. van den Hoek、 W. Klessens 所著的"Carbon-hydrogen and carbon-chlorine transport reactions in carbon打lament incandescent lamps" (Carbon 13,第429-432页，1975 年)。在发光体刚好在碳的熔点以下工作时，也可使用C-S系统。如果二 硫化碳CS2在大约2200K以上的温度下通过碳而引导，则产生CS，其在 3400K至大约4000K的范围内在辨，放碳的情况下分解。
(e) 由金属碳化物、金属氮化物或者金属硼化物构成的发光体通过沉 积M来调整由起始金属构成的白炽体的横截面。
由金属碳化物、金属氮化物或者金属硼化物或这些化合物的合金构成 的发光体大多通过对相应起始金属构成的发光体进行碳化、氮化或者硼化 而制造，因为视为陶瓷的金属碳化物、金属氮化物或者金属硼化物itJ晚而 不容易处理。由此提供了调整由相应的起始金属构成的发光体的直径的可 能性，并且于是在接下来的方法步骤中进行碳化或氮化或硼化。以下考虑 包括由碳化钽构成的白炽灯丝的灯作为例子。在此，白炽灯丝首先可以由 钽绕制。例如，如果钽灯丝的待调整的区域在2800K至3000K之间的温 度中在由惰性气体和氟化钽构成的流中工作，则获得具有调整后的线粗的 由钽构成的白炽灯丝，其中中部的线直径大于灯丝端部附近的线直径。接 着，由钽构成的灯丝通过在惰性气体和碳氢化合物构成的气氛中进行碳化 而转换成碳化钽，参见例如S. Okoli、 R, Haubner、 B. Lux所著的Surfaceand Coatings Technology 47 (1991)第585-599页，以及Ci Hoerz所著的 Metall 27 (1973年)第680页。线粗的调整在此被维持，即钽构成的灯丝 的直径的相对波动准确地反映到碳化钽构成的灯丝上。替选地，也可以将 钽沉积在碳化钽构成的白炽体上，并且钽层在随后的方法步骤中可以碳 化。
(f)由金属碳化物、金属氮化物或者金属硼化物构成的发光体通过直 接沉积碳化物、氮化物和硼化物来调整发光体的线粗。
也可以将金属碳化物、金属氮化物和金属硼化物直接沉积到相应的发 光体上。例如，可以将碳化钽直接沉积到碳化钽构成的发光体上。该过程 的^j^特征例如在W. J. Heffernan、 I. Ahmad、 R. W. Haskell、 Benet Weapons Laboratory (美国纽约Watervliet)所著的"A continuous CVD process for coating filaments with tantalum carbide" ( Chem. Vap. Deposition, Int. Conf.，第四次^i义(1973年)，会汉日期为1973年，^ 498-508页)中进行了描述，在该会议上详细讨论了沉积速率与各个实验 性参数的相关性。碳化钽的沉积的整个过程可以通过总结性反应方程 TaCl5+CH4+l/2H2+TaC+5HCl来描述。在合适的反应条件下，获得了 10nm/min的量级的TaC沉积速率，即该沉积速率处于如下范围中该范 围使得显示出可能将该方法使用在;WM匕的生产中。TaC的沉积速率在大 约1100K至1300K之间的温度范围中强烈地变化；即在TaC发光体上的 工作电压应被调节为使得温度在要平滑的温度廓线的范围中在HOOK至 1300K之间变化。此外重要的是，在所说明的反应条件下，层较为对称地 生长并且没有例如微晶，这些微晶实际上无助于电流传送。对于其他金属 碳化物、金属氮化物和金属硼化物或者这些各成分的^r，存在类似的化 学>^应系统。
线粗的调整持续执行，直至实现半径的如下调整在灯工作中该调整 导致最佳的或者近似最佳的温度廓线，参见上面描述的内容。如果沉积工 艺或者剥蚀工艺的持续时间过短，则调整不充分，并^SJL光体大多在中部 附近熔断。如果沉积或者剥蚀过程的持续时间过长，则虽然在线圏中实现 了比较均匀的温度分布，然而为此在突然的温度下降的开始时导致在灯丝 端部上非常强烈的材料剥蚀。在过长的沉积持续时间的情况下，在具有小 节距的灯丝中存在匝间短路或者电击穿的危险。此外，由于方法技术上的 影响(例如灯丝的可能略微不均匀的环流)是重要的，所以合适的是，以 实验方式确定最佳的沉积持续时间。对此，在灯丝上进行材料剥蚀或者材料沉积持续不同的时间，接着在使用这些灯丝的情况下以光技术来观测通 常相同几何结构的、完成构建的、已填充的灯，并且在使用寿命测试中进
行^r验。最优的是在于最好的灯品质，即在于如下的灯该灯在相同的光 产出的情况下达到最大使用寿命。
在此所描述的实施形式并不限于线构成的螺旋状的白炽体。这些实施
形式对实际上其中光产生基于产生热辐射的原理的所有发光体都适用。对 于其他几何结构的发光体的例子是伸展的或者缠绕的带、具有曲折线走向 或者矩形线横截面的平面开槽的金属膜、螺旋形的发光体等等。
必要时，在此所描述的用于平滑沿着灯丝的温度廓线的可能性可以与 其他的措施(例如使用具有调整后的节距的灯丝)组合。
在此所描述的方式相对于在DD 217 084 Al中所描述的灯丝的电解 剥蚀提供了明显的优点。 一方面，在此使用自调节的系统，即温度本身控 制剥蚀工艺和沉积工艺。另一方面，在方法技术上在大批量生产中化学沉 积反应和剥蚀Jl应可以比湿化学方法(如在DD217 084A1中的方法)明 显更为容易地实现。最后，如在DD217 084A1中所描述的那样，电解剥 蚀限于由所选的金属材料构成的发光体而不能应用于陶瓷(例如金属碳化 物)构成的发光体。
相对于在J. Schroeder所著的"Profilierung von Wolframwendeln in Gluehlampen durch chemische Transportreaktionen" ( Philips techn. Rdsch.^，第354-355页，1975/76年)中所描述的方式，在此所描述的 方法同样提供了明显的优点。与Philips techn. Rdsch. 35(第354 - 355页， 1975/76年)所描述的不同，在此发光体材料并不是被从较冷的位置重置 到较热的位置，而是仅仅从外部输送的发光体材料沉积，或者仅仅剥蚀发 光体材料并且以挥发性气态化合物的形式被去除。也就是说，在此沉积从 外部输送的发光体材料，或者剥蚀发光体材料并且完全去除，而在Philips techn. Rdsch. ^ (第354 - 355页，1975/76年)中仅仅输送纯的传送介质 (例如卣素)并且重置发光体材料。在此所描述的方式相对于如在Philips techn. Rdsch. ^ (第354 - 355页，1975〃6年)中所描述的发光体材料的 单纯重置提供了如下优点
-在重置中，在较冷的位置上剥蚀的材料优选在紧邻的较热的位置上被沉 积，在这些较热的位置上携带发光体材料的分子分解，而在同样高温的、 更远的位置上沉积较少的材料，因为只有"较少携带材料的分子"到达。 如果根据在此所描述的方式通过灯丝在合适的前体材料的流中工作而沉积材料或者剥蚀发光体材料，则获得较高程度地被平滑的温度廓线。
-在应用单纯的沉积反应或者剥蚀^^应时，反应条件在实现均匀的直径变 化方面可更为容易地进行优化，例如通过在沉积时预先引入合适的晶核形 成步骤和通iti^择合适的浓度和通流速度来优化。在重置过程中，少得多 的参数用于优化。在沉积工艺中待沉积的材料的浓度例如通过化学反应系 统在很大程度上被确定，携带有待沉积的材料的化合物的分压可以基本上 只受传送介质的浓度影响。
-在陶瓷(如金属碳化物)构成的发光体中，并不能应用如在Philips techn. Rdsch. ^ (第354-355页，1975/76年)中的重置反应，因为必须传送 至少两种化学元素，例如在使用碳化钽构成的发光体的情况下必须重置钽 和碳。对此， 一方面在钽和传送介质之间而另一方面在碳和传送介质之间 的化学平衡的温度相关性必须刚好相同。即在较冷的位置上必须以刚好相 等的程度通过气相的传送介质来溶解钽和碳，而在较高温度时携带钽和碳 的化合物的分解度必须相等。然而这样的化学反应系统并不存在，仅可以 接近理想状态。此外，两种待传送的元素的传illit度也是不同的；例如碳 氟化合物比钽-氟化合物明显更快地扩散。


以下将参考实施例更为详细地阐述本发明。其中
图1示出了根据一个实施例的具有^L光体的白炽灯；
图2示出了根据图1的用于白炽灯的盘绕的发光体；
图3示出了一个图表，该图表示出了作为距灯丝中部的距离的函数的 发光体半径的变化；
图4示出了作为距灯丝中部的距离的函数的、在沉积期间在发光体上 的温度的比较；
图5示出了作为距灯丝中部的距离的函数的、在工作期间在发光体上 的温度的比较。
具体实施例方式
图l示出了单侧被挤压的白炽灯l,该白炽灯具有石英玻璃2构成的灯泡、挤压部3，以及内部馈电装置6，其中内部馈电装置将挤压部3 中的膜4与发光体7连接。发光体是简单盘绕的、轴向设置的、由TaC 构成的线，该线的未盘绕的端部14横向于灯轴线伸展。外部馈电线5在 外部安置到膜4上。灯泡的内直径为5mm。灯丝端部14接着平行于灯轴 线弯曲，并且在那里形成作为整体延长部的内部馈电装置6。
图1中示意性示出的灯的由碳化钽构成的白炽灯丝通过对由钽线(直 径为135pm )绕制成的灯丝(12匝，节距系数为2.24、芯系数(Kemfaktor) 为5.6)进行碳化来形成，其中该灯的基本构型很大程度上对应于市面上 可获得的低压卣素白炽灯。输出部(Abgang)的长度为10mm。在碳化 中，线直径增长到146pm。在使用氙气作为基本气体时(此外还添加包 含氢、氮、碳氢化合物和卣素(J， Br， Cl， F)的物质)，灯在14V上工 作时具有大约45W的功率消耗，其中色温典型为3300K左右。
在图2中较为确切地示出了在通过下面描述的沉积工艺进行线横截 面的调整之后的发光体7的示意图。发光体的线的直径是不同的。在中部， 直径d2明显大于在边缘处的直径，在边缘处直径用dl来说明。
图3示出了在根据如下反应方程沉积一分钟之后的灯丝线的半径的 廓线
TaCl5 + CH4 + 1/2H2 — TaC+5HCl。
沉积工艺大致如在(e)中所描述的那样来选择(HC1流经钽以产生 TaCls，气流40cm3/minHCl， 250cm3/min CH4 )。由于线半径关于灯丝中 部对称地改变，所以图中仅仅示出了一半的线的半径。另一半濕:镜4象对称 的。所说明的位置表示沿着发光线的位置。
图4示出了针对在此所描述的实施例的、在具有改变的线粗的盘绕的 发光体(曲线1)与具有恒定的线粗的类似发光体(曲线2 )之间在沉积 时所使用的温度的比较。在此，盘绕的发光体处于典型适合于TaC沉积 的温度范围中。为了更好的可比较性，在此也对工作电压进行匹配，使得 在发光体的中部的温度相一致。
图5示出了针对实施例的、在具有改变的线粗的盘绕的发光体(曲线 1)与具有恒定的线粗的类似发光体(曲线2)之间在工作中的温度的比 较。在此，盘绕的发光体处于灯工作期间达到的典型温度范围中。为了更 好的可比较性，在此也对工作电压进行匹配，使得在发光体的中部的温度 相一致。如果灯丝输出部如在图1中的实施例那样与发光体一体地由连续的
线制成，并且选择沉积方法以调整线粗，则在绕组的范围中强烈地增;UL 光线直径的情况下导致在接通时在挤压部附近的灯丝输出部处的并未增 大的并且因此明显较细的线区段承受比较大的负荷。在这样的情况下，使 用如在DE-Az 10 2004 014 211.4中所描述的涂层灯丝适于提高接通强 度。
补充地，还应提及的是，发光体的直径的调整也可以通过借助激光的 剥蚀来进行。此外，线直径的调整也可以通过溅射工艺或者通过电解沉积 施加材料(与DD217 084A1中所描述的电解剥蚀不同)来进行。然而这 些工艺和其他工艺在技术上都难以控制，因为其并非以自调节的方式工
作'
在具有矩形横截面的平面的白炽灯丝的情况下，例如曲折形的槽的距 离可以改变。
权利要求
1.一种用于白炽灯的发光体，该发光体由金属或者金属化合物构成，其特征在于，发光体的横截面从发光体的边缘朝着发光体的中部连续地增大，其中发光体的横截面的改变通过化学沉积工艺或者剥蚀工艺来进行，并且其中横截面尤其是圆形的。
2. 根据权利要求l所述的发光体，其特征在于,横截面增大至少15%。
3. 根据权利要求1所述的发光体，其特征在于，发光体由碳化钽、化物构成。
4. 根据权利要求1所述的发光体，其特征在于，发光体由不同金属 碳化物、金属氮化物或者金属硼化物的合金构成。
5. —种白炽灯，其具有根据上述权利要求中任一项所述的发光体和 馈电装置，所述馈电装置保持发光体，其中发光体与填充物一起以真空密 封的方式置于灯泡中。
6. —种用于制造根据权利要求l所述的发光体的方法，其特征在于， 发光体的横截面的改变通过借助沉积工艺使携带发光体材料的前体热分 解来产生，其中发光体在该沉积期间在与化学反应系统相匹配的如下温度 范围中工作使得在所涉及的位置上的温度越高，在发光体的各个位置上 通过前体的分解而沉积的发光体材料就越多。
7. —种用于制造根据权利要求l所述的发光体的方法，其特征在于，中发光体在该剥蚀工艺中在与化学反应系统相匹配的如下温度范围中工 作使得在所涉及的位置上的温度越低，在发光体的各个位置上剥蚀的发 光体材料就越多。
8. 根据权利要求6所述的制itiL光体的方法，其特征在于，钨或者 鵠合金构成的发光体的横截面的改变通过卣化鴒、卣氧化鴒、^鵠或者 氰化鴒的热分解来进行，其中发光体在沉积期间在如下温度范围中工作 使得在所涉及的位置上的发光体的温度越高，沉积的钨就越多。
9. 根据权利要求6所述的制itiL光体的方法，其特征在于，由高熔 点的金属如锇、铼、铌、铪、锆或钽或者这些金属的合金构成的发光体的 横截面的改变通过金属卣化物(金属氟化物、金属氯化物、金属溴化物、金属碘化物)、金属卣氧化物、金属n化合物或者金属氰化物的热分解来进行，其中发光体在沉积期间在如下温度范围中工作使得在所涉及的 位置上的发光体的温度越高，沉积的金属就越多。
10. 根据权利要求6所述的制it^光体的方法，其特征在于，为了改 变横截面而沉积的金属通过氢还原金属卣化物或者金属卣氧化物来产生， 其中发光体在沉积期间在如下温度范围中工作使得在所涉及的位置上的 发光体的温度越高，沉积的金属就越多。
11. 根据权利要求6所述的制itiL光体的方法，其特征在于，碳纤维 或者碳纤维束构成的发光体的横截面的改变通过碳-卣素化合物、碳-氢化合物或者碳-硫化合物的热分解来进行，其中发光体在沉积期间在如下 温度范围中工作使得在所涉及的位置上的发光体的温度越高，沉积的碳 就越多。
12. 根据权利要求6所述的制itiL光体的方法，其特征在于，为了由 金属碳化物、金属氮化物或者金属硼化物或者不同的金属碳化物、金属氮 化物和金属硼化物的合金制it^L光体，横截面调整通过以化学气相沉积工 艺将所使用的发光体材料沉积在发光体上来进行，其中发光体在沉积期间 在如下温度范围中工作使得在所涉及的位置上的发光体的温度越高，沉 积的发光体材料就越多。
13. 根据权利要求6所述的制itJC光体的方法，其特征在于，为了由 碳化钽制itil光体，发光体的横截面的变化通过使用卣化钽或者卣氧化 钽、优选氯化钽、甲烷和氢之间的反应而沉积碳化钽来进行，其中发光体 在沉积期间在如下温度范围中工作使得在所涉及的位置上的发光体的温 度越高，沉积的发光体材料就越多。
14. 根据权利要求7所述的制itiL光体的方法，其特征在于，为了由 金属钨、锇、铼、钽、铌、锆或者铪制iiiL光体，用于平滑温度廓线的横 截面的改变通过借助卣素、假卣素、氧或者其化合物例如带有氢的化合物 剥蚀金属来进行，其中发光体在剥蚀工艺期间在如下温度范围中工作使 得温度越低，剥蚀的材料就越多。
15. 根据权利要求7所述的制itiL光体的方法，其特征在于，为了由 碳制itil光体，用于平滑温度廓线的横截面的改变通过借助卣素、氢、硫 或者其化合物剥蚀碳来进行，其中发光体在剥蚀工艺期间在如下温度范围 中工作使得温度越低，剥蚀的材料就越多。
16. 根据权利要求7所述的制it^光体的方法，其特征在于，用于平 滑温度廓线的横截面的改变通过金属碳化物与卣化氢反应来进行，其中发 光体在剥蚀工艺期间在如下温度范围中工作使得温JL^低，剥蚀的材料 就越多.
17. 根据权利要求6或者7所述的制逸t光体的方法，其特征在于， 为了由金属碳化物、金属氮化物或者金属硼化物或者不同的金属碳化物、 金属氮化物或者金属硼化物的合金制itJC光体，首先通过沉积>^应或者材 料剥蚀反应调整根据上述权利要求中任一项所述的、由初始金属构成的发 光体的横截面，以平整温度梯度，并且之后通过碳化、氮化或者硼化将金 属转换成所希望的发光体材料。
18. 根据权利要求6或者7所述的制itJ^光体的方法，其特征在于， 发光体实施为片状带，或者实施为其他具有矩形横截面的平的灯丝。
19. 根据权利要求6或者7所述的制itj^光体的方法，其特征在于， 发光体是包覆的线。
全文摘要
一种用于白炽灯的发光体和用于制造这种发光体的方法。使用用于发光体的线，该线的直径从外部向内增大。该制造方法基于沉积方法或者基于剥蚀方法。
文档编号H01K1/00GK101496135SQ200780028772
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月20日 优先权日2006年7月28日
发明者乔治·罗森鲍尔, 阿克塞尔·邦克, 马蒂亚斯·达姆 申请人:奥斯兰姆有限公司