Halogenglühlampe und Verfahren zum Schutz ihrer Innenoberfläche

Abstract

 Halogenglühlampe mit einem Kolben aus Weichglas, bei dem zur Vermeidung einer Reaktion zwischen den HalogenBestandteilen des Füllgases und den Alkali-Bestandteilen des Kolbenglases die Innenoberfläche des Kolbens an insbesondere Na-Ionen verarmt ist und zusätzlich die im Glasgefüge entstandenen Leerstellen durch Ersatz-Ionen, wie Li, Mg, Ca, aufgefüllt sein können und/oder der Kolben von einer Schutzschicht aus einem Metall- und/oder Halbmetalloxid, wie SiO₂, TiO₂, B₂O₃ überzogen sein kann. Herauslösen der Na-Ionen aus dem Kolbenglas durch Einwirkenlassen von Chlor- oder Bromwasserstoffgas bei einer Temperatur zwischen 500 °C und dem Erweichungspunkt des Glases. Auffüllen der Leerstellen durch in Berührungbringen der Innenoberfläche des Kolbens mit Schmelzen oder Lösungen von Li-, Mg- bzw. Ca-Salzen. Aufbringen der Schutzschicht durch Einbringen einer Metall- und/oder Halbmetallhalogenverbindung (TiCl₃, SiCl₄) in den Kolben, die sich auf dessen Innanoberfläche oder auf dem Weg dorthin durch Reaktion mit Wasser- und Sauerstoff unter Abgabe des Halogens zu einem Metall- und/oder Halbmetalloxid (TiO₂, Si0₂) verbindet, oder durch Aufdampfen des entsprechenden Oxids oder durch Aufbringen des Oxids im Tauchverfahren.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Glühlampe mit einem Kolben aus Weichglas und einer Inertgasfüllung mit Halogenzusatz, bei der Vorsorge getroffen ist, daß eine Reaktion der Halogenbestandteile des Füllgases mit den Alkali-Ionen des Kolbenglases nicht möglich ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lampe.

[0002] Bei bekannten Halogenglühlampen wurde die Möglichkeit einer Reaktion zwischen Halogenen und den Alkali-Ionen gleich von vornherein vermieden, indem der Lampenkolben aus Quarz- oder Hartglas, die beide keine oder nur geringe Anteile an Alkali-Ionen enthalten, hergestellt ist. Da diese Gläser jedoch hohe Verarbeitungstemperaturen verlangen, möchte man dazu übergehen, Halogenglühlampen mit Kolben aus Weichglas zu fertigen.

[0003] Die Härte des Glases ist durch den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. die sogenannte Transformationstemperatur bestimmt. Gläser mit AlkaliGehalt, beispielsweise Natronkalkglas, haben eine größere thermische Ausdehnung als Gläser ohne Alkali-Gehalt und werden als "Weichgläser" bezeichnet. Diese Gläser haben den Vorteil, daß sie sich gegenüber Quarz-und Hartgläsern günstiger bearbeiten lassen.

[0004] Bei der Verwendung von Weichglaskolben für Halogenglühlampen tritt die Schwierigkeit auf, daß der Halogenanteil des Füllgases mit den Alkali-, insbesondere Na-Ionen des Kolbenglases zu einer thermisch stabilen Verbindung reagiert, z.B. nach der Reaktion Na2Si.03 + 2HBr

SiO₂ + H₂0 + 2NaBr. Dadurch wird der wirksame Halogenanteil des Füllgases verringert, wodurch der Wolfram-Halogen-Kreisprozeß, der eine Halogenglühlampe kennzeichnet, nicht mehr aufrechterhalten werden kann, was bekanntlich zu Lampenschwärzung führt. Zusätzlich führen die Reaktionsprodukte aus Alkali und Halogen zu unerwünschten Niederschlägen im Lampenkolben.

[0005] Um eine Reaktion der Halogenbestandteile des Füllgases mit den Alkali-Bestandteilen des Kolbenglases zu verhindern, ist mit der DE-OS 27 01 051 bereits vorgeschlagen worden, die Innenoberfläche des Kolbens und die Oberflächen der innenliegenden Bauteile mit einem Überzug aus einer ständig imprägnierenden Schicht zu versehen, die im wesentlichen aus einem Metalloxid (A1₂0₃) besteht. Derartige Halogenglühlampen werden derzeit jedoch nicht gefertigt, was zu der Vermutung führt, daß die Technik zur Herstellung dieser Lampen noch nicht ausgereift ist. Möglicherweise liegt die Schwierigkeit darin, die Schutzschicht so dicht aufzutragen, daß keine Alkali-Ionen hindurchdiffundieren können, andererseits aber die optische Qualität des Glaskolbens nicht beeinträchtigt wird.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halogenglühlampe mit einem Kolben aus Weichglas zu schaffen, bei der die o.g. auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden und die sich technisch realisieren läßt.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lampenkolben im Bereich seiner Innenoberfläche an Alkali-(Na-)Ionen verarmt ist. Zur Verfahrenssicherheit können die entstandenen Leerstellen im Glasgefüge durch andere Ionen aufgefüllt und/oder die Innenoberfläche des Kolbens mit einer zusätzlichen Schicht aus einem Metall- oder Halbmetalloxid überzogen sein.

[0008] t Die Herstellungsweise der erfindungsgemäßen Halogenglühlampe entspricht bis auf die Verfahrensschritte des Spülens und Füllens der Lampe der Herstellungsweise herkömmlicher Glühlampen und bedarf somit keiner näheren Beschreibung.

[0009] Die spezielle Behandlung des Weichglases erfolgt durch Spülen des Lampenkolbens mit einem Behandlungsgas, das in der Lage ist, die Alkali-Ionen, insbesondere Na-Ionen, aus dem Kolbenglas herauszulösen. Vorzugsweise soll-ein Behandlungsgas Verwendung finden, das Ionensorten aus der Reihe der Halogene F, Cl, Br und J abspaltet, die mit den Na-Ionen aus dem Kolbenglas reagieren. Als Behandlungsgas eignet sich beispielsweise HCl, da Salzsäure in der Reaktion mit Na Kochsalz nach der Formel
Na₂Si0₃ + 2HC1

SiO₂ .+ 2NaCl + H₂0
bildet und dieses Kochsalz mit Wasser leicht aus dem Lampenkolben herausgewaschen werden kann. Wenn das verwendete Glasmaterial Behandlungstemperaturen über 700 C zuläßt, ist ein Auswaschen nicht unbedingt nötig, da das entstehende NaCl sublimiert und mit dem Behandlungsgas aus dem Glaskolben strömt bzw. gepumpt werden kann. Durch dieses Spülen soll die ansonsten während des Betriebes in der Lampe ablaufende Reaktion zwischen den Halogenbestandteilen des Füllgases und den Na-Ionen aus dem Kolbenglas vorweggenommen werden. Damit jedoch diese Reaktion in einem wesentlich kürzeren Zeitraum ablaufen kann, müssen beeinflußbare Größen variiert werden.

[0010] Über die vereinfachte Formel

mit

x = Verarmungstiefe

const = best. Konstante

D = Diffusionskonstante für Na-Ionen

t = Zeit

[0011] (Herleitung siehe Lehrbücher der Experimentalphysik, z.B. Pohl: "Einführung in die Mechanik, Akustik und Wärmelehre"), wobei die Diffusionskonstante wiederum abhängt von

- der Glaszusammensetzung und

- der Betriebstemperatur des Lampenkolbens, läßt sich die Na-Verarmungstiefe errechnen, die erreicht werden würde, wenn die Halogenglühlampe ohne Vorbehandlung betrieben wird. Diese Na-Verarmungstiefe ist gleichzusetzen mit der, die nach der Vorbehandlung des Lampenkolbens erreicht werden soll, so daß während der Lampenbetriebsdauer keine schädliche Na-Konzentration an die Innenoberfläche nachdiffundieren kann. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Diffusionszeit der Na-Ionen aus dem Glasinneren zur Oberfläche bestimmt ist.

[0012] Unter der Annahme, daß die Diffusionskonstante beispielsweise für Natronkalksilikatglas D = 0,005 exp (-20 000/RT) beträgt (s. "Diffusion Studies in Glass" von E.L. Williams aus der Zeitschrift "The Glass Industry", August 1962), die Betriebstemperatur 270 °C (≈ 540 K), die Lampenlebensdauer 200 h, die Konstante ≈ 1 und.R = 2 ist, ergibt sich eine Verarmungstiefe x von

[0013] Beeinflußbare Größen sind nach dieser Formel nur die Behandlungstemperatur (T_Beh.) und die Behandlungsdauer (t_Beh.). Daraus läßt sich folgende Tabelle aufstellen:

[0014] Hierbei muß allerdings vorausgesetzt werden, daß sich die Diffusionskonstante zwischen Behandlungs- und Betriebstemperatur nur aufgrund der Temperatur ändert, also Vorfaktor und Aktivierungsenergie unverändert bleiben.

[0015] Die beschriebene Behandlung der Glasoberfläche kann in verschiedenen Stadien der Kolben- bzw. Lampenherstellung erfolgen. Eine Behandlung während des Blasens der Kolben bzw. des Ziehens der Glasrohre, aus denen die Kolben gefertigt werden, hat den Vorteil, daß die erforderlichen Temperaturen in diesen Verfahrensschritten durchlaufen werden, so daß kein zusätzliches Erhitzen des Glases erfolgen muß.

[0016] Zur Behandlung der fertigen Lampenkolben besteht die Möglichkeit, diese in einem Behälter anzuordnen, der von HCl in reiner Form oder mit einem Trägergas wie N₂₁ Ar oder Kr durchströmt wird. Der Behälter ist auf eine Temperatur aufgeheizt, so daß die Temperatur der zu behandelnden Kolben mehr als 500 °C beträgt. Nach vorstehender Tabelle sollte das Gas bei einer Behandlungstemperatur von beispielsweise 700 C wenigstens 3,3 min auf die Innenoberfläche des Lampenkolbens einwirken, damit sichergestellt ist, daß während der Lampenbetriebsdauer von etwa 200 Stunden und einer Lampenbetriebstemperatur von etwa 270 C keine schädliche Na-Konzentration an die Innenoberfläche nachdiffundieren kann.

[0017] Die Behandlung der Lampenkolben ist auch in einem geschlossenen Behälter möglich, der eine ausreichende Menge an HCl enthält. Wegen der bei Na-Extraktion entstehenden Veränderungen der Glasoberflächen - Entstehen von Spannungen, Erhöhung der Erweichungstemperatur - ist es allerdings von Vorteil, nur diejenigen Kolbenteile zu behandeln, die nicht im Bereich der Quetschung bzw. Einschmelzung der fertigen Glühlampe liegen. Dazu kann das Behandlungsgas in den parallel erhitzten Kolben geblasen werden.

[0018] Die Behandlung kann auch an einer fertigen Stengellampe durchgeführt werden, beispielsweise integriert in die vor dem Füllen der Lampe im Verfahrensablauf meist vorgesehenen Pump- und Spülschritte. Eine Alkali-Verarmung in diesem Stadium der Lampenfertigung hat zudem den Vorteil, daß in den nachfolgenden Verfahrensschritten keine Temperaturen mehr auftreten, die, wie beispielsweise beim Verschmelzen des Lampenkolbens mit dem Fußgestell, in kleinen Bereichen der Kolbeninnenfläche zu einer Nachdiffusion von Na-Ionen aus dem Glasinneren führen können. Die Reaktionsprodukte werden nach der Behandlung aus der Stengellampe gepumpt oder gespült.

[0019] Bei allen Behandlungsmöglichkeiten, insbesondere bei solchen, die vor dem Quetschen bzw. Einschmelzen der Lampe durchgeführt werden, ist es vorteilhaft, die behandelten Kolben einer Temperung zu unterziehen, um die Gefahr von Glassprüngen zu vermeiden.

[0020] Nachdem der Vorgang der Alkali-Verarmung im Bereich der Innenoberfläche des Lampenkolbens abgeschlossen ist, kann die Lampe mit ihrem endgültigen Füllgas gefüllt werden.

[0021] Es ist jedoch auch möglich, die im Glasgefüge entstandenen Leerstellen durch andere Ionen aufzufüllen. Dadurch wird ein zu rasches Nachdiffundieren der in tieferen Schichten liegenden Na-Ionen verhindert. Zum Auffüllen dieser Leerstellen eignen sich insbesondere Mg-, Ca-oder.auch Li-Ionen, da diese in ihrem Durchmesser annähernd gleich groß sind wie die Na-Ionen und somit durch Einlagerung dieser Ionen das Glasgefüge kaum verändert wird und keine Spannungen im Kolbenglas auftreten. Dabei werden zwei Na^+-Ionen durch ein Mg²⁺-, C_a^2+-I_on ersetzt. Wegen der daraus resultierenden zweifachen Verkettung im Glasgefüge sind Mg- und/oder Ca-Ionen wesentlich diffusions- und reaktionsträger als Na-Ionen und gehen deshalb mit den Halogenbestandteilen des Füllgases der Lampe keine Verbindung ein. Bei Verwendung von Lithium als Ersatzionen macht man sich das erdalkaliähnliche Verhalten von Li-Ionen zunutze.

[0022] Die Ersatz-Ionen werden in die Leerstellen eingebracht, indem Schmelzen oder Lösungen von Salzen dieser Ionen mit der Na-verarmten Oberfläche in Berührung gebracht werden. Die dissoziierten Ionen diffundieren in die Glasoberfläche ein und sättigen dort die durch die Na-Extraktion entstandenen freien Bindungen ab. Auch nach diesem Verfahrensschritt ist es möglich, die 4ampe mit ihrem endgültigen Füllgas zu füllen und wie herkömmliche Glühlampen fertigzustellen.

[0023] Sowohl nach der Alkali-Verarmung als auch nach dem Auffüllen der Leerstellen im Glasgefüge mit Ersatz-Ionen kann die Innenoberfläche des Lampenkolbens mit einer zusätzlichen Schutzschicht versehen werden, die eine noch größere Sicherheit bietet, daß keine Na-Ionen das Füllgas der Halogenglühlampe verunreinigen. Die Schutzschicht wird in Form einer Metall- und/oder Halbmetall-Halogenverbindung, beispielsweise TiCl₄, SiCl₄, auf die Innenoberfläche des Kolbens aufgebracht und verbindet sich dort oder auf dem Weg dorthin durch Reaktion mit Wasser- und Sauerstoff unter Abgabe des Halogens zu einem Metall- bzw. Halbmetalloxid nach beispielsweise der Formel:

[0024] Auch beim Aufbringen dieser Schutzschicht auf die Innenoberfläche des behandelten Weichglaskolbens ist es vorteilhaft, wenn die Halogenbestandteile der Metall-und/oder Halbmetall-Halogenverbindung mit denen des Füllgases übereinstimmen und nach abgeschlossener Reaktion als Halogenzusatz in der Lampe verbleiben. Diese Reaktion kann auch in der fertigen Lampe durchgeführt werden.

[0025] Verwendung finden können derart behandelte Lampenkolben auch bei allen konventionellen Lampen (bisher ohne Halogenzusatz), für die nunmehr die Zugabe von Halogen möglich wird, falls die Betriebstemperatur am Kolben >200 °C ist, so daß der Wolfram-Halogen-Kreisprozeß ablaufen kann. Durch das Halogen wird das vorzeitige Schwärzen verhindert. - Außerdem können die erfindungs- gemäßen Lampen durch die niedrigeren Verarbeitungstemperaturem billiger hergestellt werden.

Ansprüche

1. Glühlampe mit einem Kolben aus Weichglas und einer Inertgasfüllung mit Halogenzusatz, bei der Vorsorge getroffen ist, daß eine Reaktion der Halogenbestandteile des Füllgases mit den Alkali-Ionen des Kolbenglases nicht möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben im Bereich seiner Innenoberfläche an Alkali-Ionen verarmt ist.

2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Alkali-Ionen-Verarmung entstandenen Leerstellen im Glasgefüge des Lampenkolbens durch Ersatz-Ionen aufgefüllt sind.

3. Glühlampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatz-Ionen aus der Gruppe der Alkali- oder Erdalkalimetalle gewählt sind.

4. Glühlampe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ersatz-Ionen annähernd gleich groß dem Durchmesser der auszutauschenden Alkali-Ionen ist.

5. Glühlampe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ersatz-Ionen für an Na-Ionen verarmtes Glas vorzugsweise Lithium-, Magnesium- oder Calcium-Ionen Verwendung finden.

6. Glühlampe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche des Kolbens mit einer gegenüber Halogen beständigen Schutzschicht überzogen ist.

7. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus einem Überzug eines Metall-und/oder Halbmetalloxids besteht.

8. Glühlampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus einem Überzug aus SiO₂, TiO₂, B₂O₃ oder einer Mischung dieser Oxide besteht.

9. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben von einem Behandlungsgas durchströmt wird, daß in der Lage ist, Alkali-Ionen aus dem Kolbenglas herauszulösen.

10. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgas Ionensorten aus der Gruppe der Halogene F, Cl, Br, J abspaltet, die mit den Alkali-Ionen des Kolbenglases reagieren.

11. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgas Chlor- oder Bromwasserstoffgas ist und in reiner Form oder mit einem Trägergas wie N₂, Ar, Kr mit der Innenoberfläche des Lampenkolbens in Berührung gebracht wird.

12. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstemperatur der Innenoberfläche des Lampenkolbens über der Temperatur liegt, die beim Lampenbetrieb am Kolben erreicht wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstemperatur zwischen 500 °C und dem Erweichungspunkt des Glases liegt.

14. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch l und 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenbestandteile des Behandlungsgases mit den Halogenbestandteilen des Füllgases der Lampe übereinstimmen und als Halogenzusatz in der Lampe verbleiben.

15. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1 bis 5 und 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die alkaliverarmte Innenoberfläche des Lampenkolbens mit Schmelzen oder Lösungen von Li-, Mg- bzw. Ca-Salzen in Berührung gebracht wird, wobei die Temperatur so gewählt ist, daß Li-, Mg- oder Ca-Ionen in die Oberfläche des Glases eindringen und dort Plätze einnehmen, die ursprünglich von den Na-Ionen besetzt waren.

16. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Halogen beständige Schutzschicht in Form einer Metall- und/oder Halbmetall-Halogenverbindung auf die Innenoberfläche des Kolbens gebracht wird und sich dort oder auf dem Weg dorthin durch Reaktion mit Wasser- und Sauerstoff unter Abgabe des Halogens zu einem Metall- und/oder Halbmetalloxid verbindet.

17. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht in Form einer Metall-Chlor-Verbindung auf die Innenoberfläche des Kolbens gebracht wird und sich dort oder auf dem Weg dorthin durch Reaktion mit Wasser- und Sauerstoff unter Abgabe des Chlors zu einem Metalloxid verbindet.

18. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenbestandteile der Metall- und/oder Halbmetallverbindung mit den Halogenbestandteilen des Füllgases der Lampe übereinstimmen und als Halogenzusatz in der Lampe verbleiben.

19. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der Metall- und/oder Halbmetall-Halogenverbindung mit Wasser- und Sauerstoff in der fertigen Lampe durchgeführt wird.

20. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Halogen beständige Schutzschicht durch Aufdampfen des entsprechenden Metall- und/oder Halbmetalloxids auf die Innenoberfläche des Kolbens gebracht wird.

21. Verfahren zur Herstellung einer Glühlampe nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüber Halogen beständige Schutzschicht im Tauchverfahren auf den Lampenkolben aufgebracht wird.