專利名稱：光源和為光源中的化學(xué)元素提供轉(zhuǎn)移作用的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一可加熱燈絲的光源，其中該燈絲設(shè)置在一燈泡內(nèi)，而且該燈泡包含一氣體或一氣體混合物，其適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自該燈絲釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入該燈絲內(nèi)。此外，本發(fā)明涉及一種為一在一具有一可加熱燈絲的光源中的化學(xué)元素提供一轉(zhuǎn)移作用的方法，其中該燈絲設(shè)置在一燈泡內(nèi)，而且該燈泡包含一氣體或一氣體混合物，該方法適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自該燈絲釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入該燈絲內(nèi)。
背景技術(shù)：
人們通過實踐業(yè)已知道以上所述類型的光源及其有各種各樣的設(shè)計和結(jié)構(gòu)。例如，白熾燈為一種眾所周知的光源，其包括一以高熔點或耐火材料制的白熾燈絲，作為固定燈絲的連接器的電極，和一充滿一氣體混合物的燈泡。
目前，在現(xiàn)有電燈工藝之中，白熾燈的能量效率最低。這意謂其產(chǎn)生的熱量比光輻射相對較多。然而，另一方面，其為可以一成本最低的方式制造的發(fā)光體或光源。因此人們希望提高白熾燈的能量效率。這可以通過使用高熔點或耐火碳化物、硼化物、氮化物、氧化物或硅化物作為燈絲材料來達(dá)成。在使用時，相對于這些化合物的特性，其最有利且因此為最重要的金屬為鉿、鈮、鉭、鋯或這些金屬的合金，例如鉭鉿。在這些材料中尤其適合的是碳化物，具體地說為碳化鉿和碳化鉭，因為其導(dǎo)電性優(yōu)良和熱變形穩(wěn)定性高。
例如，在用于白熾燈時，作為一典型的金屬碳化物的碳化鉭相比普遍用于白熾燈的鎢，其具有一大大地高的可適用退火溫度，此外其在可見光譜區(qū)的光輻射有較大選擇性或輸出。具有碳化鉭燈絲的白熾燈能夠達(dá)到的能量效率大大地高于鎢燈絲燈。
在使用例如碳化鉭作為燈絲材料時，最大問題是其在高溫時傾向釋放碳，從而使其本身轉(zhuǎn)換到熱穩(wěn)定較低的碳化鉭狀態(tài)或者甚至變成金屬鉭。
于1961年7月26日提出的德國專利申請2038VIIc/21f和于1960年3月11提出的美國專利申請14253和14254揭示了具有一高熔點材料燈絲的白熾燈，例如，金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物等等。同樣地，這些申請揭示一種在燈內(nèi)的傳質(zhì)循環(huán)，其以鹵素化合物操作。在此過程中，是有可能使蒸發(fā)的燈絲材料，諸如碳、硼或硅通過該傳質(zhì)循環(huán)再一次返回到燈絲內(nèi)。然而，為達(dá)到一適當(dāng)?shù)男剩阎膫髻|(zhì)循環(huán)必須在一完全無氧或一完全無氫的環(huán)境下發(fā)生。
已知的基于鹵素化合物的傳質(zhì)循環(huán)具有缺點，在燈的作用期間，鹵元素會被釋放，其可能侵蝕和破壞燈泡和燈的內(nèi)部元件。因此有必用以相應(yīng)的耐蝕涂料或材料構(gòu)成這種光源或燈，這使到這種燈的生產(chǎn)相當(dāng)?shù)匕嘿F。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種在本文開頭所述類型的轉(zhuǎn)移作用的光源和方法，其中通過一簡單方法可達(dá)到一高的能量效率。
所述目的可通過一種具有以下特征的光源達(dá)成，所述光源具有一可加熱的燈絲，其中所述燈絲主要由一金屬碳化物且優(yōu)選為碳化鉭構(gòu)成以及設(shè)置在一燈泡內(nèi)，而且所述燈泡包含一氣體或一氣體混合物，所述氣體或氣體混合物適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自所述燈絲釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入所述燈絲內(nèi)。相應(yīng)地，所述光源這樣構(gòu)成以致于所述氣體或氣體混合物包括一富氧和/或一含氧化合物，所述光源的特征在于所述燈絲周圍的氣氛內(nèi)的氧的濃度達(dá)到至少50ppm。
首先，根據(jù)本發(fā)明可發(fā)現(xiàn)一在一光源燈泡內(nèi)產(chǎn)生的傳遞循環(huán)或轉(zhuǎn)移作用并不一定需要一點鹵素化合物。其次，根據(jù)本發(fā)明可發(fā)現(xiàn)一包含于燈泡內(nèi)且包括氧和/或一含氧化合物的富集氣體或氣體混合物同樣可以提供一適合的傳遞循環(huán)或一適合的轉(zhuǎn)移作用以恢復(fù)自燈絲釋放的化學(xué)元素。最好是不要以分子氧的形式添加氧，而是要以一含氧無機(jī)化合物的形式，諸如NO2、N2O、CO、CO2、或者以一含氧化合物的形式，諸如酒精、醛、酮和羧酸。在該含氧化合物分解時，就會得到氧以用于工作期間的進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)。在每一單位體積內(nèi)的氧元素物質(zhì)數(shù)量，其與每一單位體積內(nèi)的氧原子數(shù)目相互關(guān)聯(lián)，最好至少為1*10-5mol/l，并且最好至多為1*10-4mol/l。一典型的物質(zhì)數(shù)量為每70ml具有8*10-7至到8*10-6mol。就此而論，可以無需鹵素或鹵素化合物以致于無需通過鹵素化合物或鹵素起作用的傳遞循環(huán)。這樣就有可能以其它無需通過鹵素或鹵素化合物起作用的傳遞循環(huán)作為一種替代選擇以取代該些通過鹵素或鹵素化合物起作用的傳遞循環(huán)。最后，就有可能減少或者甚至完全避免光源的內(nèi)部元件被鹵素?fù)p毀。因此，無需該些昂貴的可抗鹵素蝕害的涂料或材料。
因此，本發(fā)明的光源可提供一種通過一簡單從而低成本的方法達(dá)到一高能量效率的光源。
在一較佳實施例中，該燈泡還包含一低分子烴。該低分子、飽和或不飽和烴最好不要包含多過4個碳原子。否則，蒸氣壓力將不再夠高。該添加的烴的分壓最好至少為0.1mbar，而且最好至多為1.5mbar。
具體地說，本發(fā)明的光源提供一種容許達(dá)到一傳質(zhì)循環(huán)或一轉(zhuǎn)移作用的光源。因此，其使蒸發(fā)或釋放的燈絲材料，諸如碳、硼或硅可以返回和/或進(jìn)入該燈絲內(nèi)。這最好以高熔點或耐火的燈絲材料來進(jìn)行。在光源的一特別優(yōu)選和耐用的結(jié)構(gòu)中，該燈絲可基本上由金屬碳化物構(gòu)成，優(yōu)選為碳化鉭。
在一特別可靠的實施例中，可以通過一富集或有目的地添加作為含氧化合物的一氧化碳產(chǎn)生一轉(zhuǎn)移作用。
相對于該光源的另一有利的改進(jìn)，該低分子烴可以包括C2H2。另外，C2H2可以使，例如自燈絲蒸發(fā)的碳再一次返回該燈絲內(nèi)。然而，一氧化碳和C2H2也可以同時用作為一轉(zhuǎn)移作用的發(fā)生器。
在另一有利的改進(jìn)中，該低分子烴可以包括甲烷或乙烷。在選擇個別烴的時候，必需考慮該具體的應(yīng)用，例如結(jié)構(gòu)形狀、要求的使用壽命和要求的輸出值。
除此之外，該燈泡內(nèi)的氣體或氣體混合物可以包括一富氫。業(yè)已顯示其與一由氧和/或一含氧化合物以及又可為一低分子烴組成的富集物的結(jié)合對于提供一轉(zhuǎn)移作用特別有效。該氫(H2)的分壓最好至少為10mbar和最好至多為100mbar。
基本上，可以把適合的氣體或氣體混合物輸入燈泡內(nèi)，這些混合物繼而適于為一化學(xué)元素立刻提供一轉(zhuǎn)移作用。然而，作為一替換或者另外的選擇，還可以把只在該光源工作期間才起反應(yīng)的化學(xué)元素或化合物輸入燈泡內(nèi)以致于該要求的環(huán)境氣氛組合物可在燈泡內(nèi)發(fā)展。具體地說，有可能在光源的工作或燈絲的加熱期間通過該些在燈泡內(nèi)的合適的化學(xué)元素或化合物的化學(xué)反應(yīng)形成該或該些富集物。
另一有利的改進(jìn)使到低分子烴可連同至少一優(yōu)選為揮發(fā)性的含氧碳化合物或者含氧氣體化合物以及氫按一合適比例輸入燈泡內(nèi)。該可預(yù)定的比例可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)具體的應(yīng)用情況，例如，結(jié)構(gòu)形狀、要求的使用壽命和要求的輸出值。燈泡內(nèi)存在的每一單位體積的氫、氧、或碳原子數(shù)目總體上，也就是涉及所有輸入燈內(nèi)的化合物，最好分別在限定范圍內(nèi)。因此輸入環(huán)境氣氛內(nèi)的氧元素的相關(guān)物質(zhì)數(shù)量總體上最好在1*10-6mol/l到1*10-5mol/l的范圍內(nèi)，該些輸入的碳元素最好在4*10-6mol/l到4*10-5mol/l的范圍內(nèi)，而該些輸入的氫元素則最好在8*10-4mol/l到2*10-2mol/l的范圍內(nèi)。
就此而論，該至少一含氧碳化合物可以包括酒精、醛、酮、一元羧酸或二羧酸。該至少一含氧化合物可以包括CO2、NO、NO2或N2O。
相對于一特別有效的轉(zhuǎn)移作用，在燈泡內(nèi)形成的氫超過單體氧。每一單位體積的氫和氧元素的濃度比應(yīng)該最好大于10∶1，并且最好不要大于100∶1。
此外，相對于一特別有效的轉(zhuǎn)移作用，在該燈絲周圍的氣氛內(nèi)的氧的濃度達(dá)到至少50ppm。
上述目的還可以通過一種為一在光源中的化學(xué)元素提供一轉(zhuǎn)移作用的方法來達(dá)到。所述光源具有一可加熱的燈絲，其中所述燈絲主要由一金屬碳化物且優(yōu)選為碳化鉭構(gòu)成以及設(shè)置在一燈泡內(nèi)，而且所述燈泡包含一氣體或一氣體混合物，所述氣體或氣體混合物適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自所述燈絲釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入所述燈絲內(nèi)。因此，其改進(jìn)了在本文開頭所述的方法以致于所述氣體或氣體混合物充滿氧和/或一含氧化合物，而且又還可以充滿一低分子烴，所述方法的特征在于所述燈絲周圍的氣氛內(nèi)的氧的濃度達(dá)到至少50ppm。
至于該根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點，為避免重復(fù)，與所述光源有關(guān)的敘述由本文在此結(jié)合作為參考。
為了說明和進(jìn)一步理解本發(fā)明，以下將再一次示出本發(fā)明的本質(zhì)特征。
基本上，本發(fā)明使到能夠，例如為了碳作一或多個無鹵素的傳質(zhì)循環(huán)。該些傳質(zhì)循環(huán)的其一可以基于含氧化合物和/或氧，而且又還可以基于一低分子烴。根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移作用可為燈泡內(nèi)的燈絲供給，例如碳。由此，就有可能增加光源的使用壽命。
根據(jù)本發(fā)明，有可能提供至少一不使用鹵素化合物的化學(xué)元素傳遞循環(huán)，或者有可能以至少一無需鹵素化合物的另一化學(xué)元素傳遞循環(huán)取代一基于鹵素化合物的化學(xué)元素傳遞循環(huán)。
這樣可以通過，例如有目的地增加至少一含氧化合物來發(fā)生。由此，就有可能減少或甚至完全消除燈泡內(nèi)的鹵素化合物?；旧?，本發(fā)明可以應(yīng)用于所有正如在，例如由CRC-Press出版的第80版″Handbook of Chemistry andPhysics，″，第12章，第207-208頁中的耐火材料表以及在第4章，第37及以下頁中的物理常數(shù)或無機(jī)化合物表中列出的具有高熔點或耐火燈絲材料的光源或白熾燈。
一特別適宜的實施例通過一具有一碳化鉭燈絲的光源構(gòu)成。為了在燈泡內(nèi)產(chǎn)生一無鹵素的碳傳遞循環(huán)，可以運用以下步驟。除了低分子烴，諸如甲烷和乙烷，也可以將氫和一氧化碳輸入燈泡內(nèi)。這可以不同的方式進(jìn)行。
一方面，這種要求氣體的一氣體混合物可以合成和輸入燈泡內(nèi)。其它適合的化合物可選擇或額外地輸入燈泡內(nèi)，該些化學(xué)品在光源的工作期間起反應(yīng)以致于要求的環(huán)境氣氛組合物可以發(fā)展。
在上述情況下，有可能以特定比例把，例如低分子烴連同一或多種揮發(fā)性的含氧碳化合物，諸如水、酒精、醛、酮、一元羧酸、二羧酸等等，或者一或多種含氧氣體化合物，諸如CO2、NO、NO2、或其它的″笑氣衍生物″等等以及氫輸入燈泡內(nèi)。其它的低分子烴、氰化物、NH4、CO2、H2O和N2，但主要為CO可以在燈的工作期間形成。
在一較佳實施例中，甲烷與氫和丙銅和一稀有氣體在一特定混合比或特定分壓下輸入燈泡內(nèi)。該稀有氣體的使用對于理解本發(fā)明并不重要，所以將不會再提及。H2O、C2H2、小量CO2以及主要為CO會在燈的工作期間發(fā)展。隨著工作時間的增長，甲烷持續(xù)分解以及CO會持續(xù)增加。由于CO的形成，氧與單體碳接合，并且從而抑制燈泡的碳黑生成。由于只會出現(xiàn)小量CO2，通過CO2化學(xué)反應(yīng)通道的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換并不重要。
現(xiàn)有的分離的氫元素主要與單體碳起化學(xué)反應(yīng)以形成甲烷和C2H2。這可從燈泡的強(qiáng)烈的碳黑生成來斷定，這會在氫不再超過單體碳的時候發(fā)生。
由于CO和C2H2展示出的離解能高達(dá)1076.5kJ/mol和962kJ/mol，其甚至比基準(zhǔn)氣氛的所有其它可能成份的熱離解部份的離解能大約大兩倍，CO只可在燈的最熱區(qū)域中離解，例如在熱的碳化鉭燈絲上離解以及釋放碳給燈絲。釋放的氧然后主要與自燈絲蒸發(fā)的單體碳起化學(xué)反應(yīng)以形成CO，其可使碳再次返回?zé)艚z內(nèi)，從而形成一CO循環(huán)。
單體氧與燈絲的鉭在氫大大地減少的氣氛內(nèi)或者是由于大量剩余氫被調(diào)節(jié)下而不會發(fā)生化學(xué)作用。因為自該熱燈絲到該光源的燈泡壁的溫度梯度高，可產(chǎn)生一有效的熱擴(kuò)散，其集中于在燈絲周圍的諸如氫的較輕原子或分子，而諸如氧的較重原子或分子則自該熱燈絲遠(yuǎn)離。不管輸入多少氧，氧不會侵蝕碳化鉭燈絲。除此之外，只會形成一非常有限的水和CO2，其可確定CO主要是通過單體氧形成的設(shè)想成立。除此之外，一若干量的CO的形成還可通過甲烷離解部份的化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生，諸如，自單體氧的化學(xué)反應(yīng)的CH與OH或者自水的熱離解作用。
除了CO之外，C2H2也可以再一次使自燈絲蒸發(fā)的碳回到燈絲內(nèi)。然而，由于CH的結(jié)合能低至338.1jK/mol，C2H2在燈絲上完全離解成碳和氫。該單體氫然后可再一次與該自燈絲蒸發(fā)的單體碳結(jié)合而形成CH，其繼而可進(jìn)一步與甲烷或再一次與C2H2起化學(xué)反應(yīng)。后者然后可將再一次碳傳遞到燈絲內(nèi)。由于甲烷在其熱離解作用期間主要釋放氫，其CH離解部份也可以形成C2H2。結(jié)果，碳通過C2H2離解和一起進(jìn)行的甲烷離解而傳遞，從而形成C2H2/CH4循環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明的以一有目的的步驟把氧或含氧化合物輸入該甲烷-氫氣氛內(nèi)使到可在一燈內(nèi)建立一碳循環(huán)以及除外的一可能的C2H2/CH4循環(huán)以便可使蒸發(fā)的碳返回碳化鉭燈絲內(nèi)。由此，就有可能延長具有耐火燈絲的燈的使用壽命以及抑制或甚至完全消除基于鹵素化合物或鹵素的傳質(zhì)循環(huán)。


還存在有各種各樣的以一有利方式改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展本發(fā)明的啟思的可能性。為此，可在一方面參照權(quán)利要求書，在另一方面參照以下的本發(fā)明的一較佳實施例的敘述并結(jié)合附圖。以下將結(jié)合本發(fā)明的該較佳實施例的敘述并參照附圖，敘述本發(fā)明的啟思的一些大體上的較佳改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展。在附圖中，該唯一的視圖所示為一根據(jù)本發(fā)明的光源的實施例的側(cè)視示意圖。
具體實施例方式
附圖中的唯一視圖所示為一根據(jù)本發(fā)明的光源的實施例的側(cè)視示意圖。該光源包括一可加熱的燈絲l，而該燈絲1是設(shè)置在一燈泡2內(nèi)。該燈絲1通過電接點3和4進(jìn)行加熱。此外，該燈泡2包含一氣體或氣體混合物，其適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自該燈絲1釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入該燈絲1內(nèi)。該氣體或氣體混合物包含一富氧和/或一含氧化合物以相對于一簡單方法達(dá)到一高的能量效率。最好是不要以分子氧的形式添加氧，而是要以一含氧無機(jī)化合物的形式，諸如NO2、N2O、CO、CO2、或者以一含氧化合物的形式，諸如酒精、醛、酮和羧酸。在該含氧化合物分解時，就會得到氧以用于工作期間的進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)。在每一單位體積內(nèi)的氧元素物質(zhì)數(shù)量，其與每一單位體積內(nèi)的氧原子數(shù)目相互關(guān)聯(lián)，最好至少為1*10-5mol/l，并且最好至多為1*10-4mol/l。一典型的物質(zhì)數(shù)量為每70ml具有8*10-7至到8*10-6mol。
該燈絲1主要由碳化鉭構(gòu)成。該含氧化合物包括一氧化碳。
實施例1該軟玻璃燈泡的容積為70ml。該由碳化鉭構(gòu)成的螺旋燈絲裝在鉏制的電源上。該發(fā)光體的溫度達(dá)到3600K，平均燈泡溫度大約為400℃。該燈的氣態(tài)組合物如下3bar Xe+0.1bar H2+5*10-5bar C2H2+5*10-5bar CH3COCH3。
實施例2該石英玻璃燈泡的容積為0.5ml。該發(fā)光體由碳化鉭構(gòu)成；在底部的桿以鉭制作。該發(fā)光體的工作溫度為3600K；平均燈泡溫度為500℃。該燈的氣態(tài)組合物如下1bar Xe+0.05bar H2+1*10-5bar C2H2+5*10-5bar CH3COCH3。
權(quán)利要求
1.一種具有一可加熱燈絲(1)的光源，其中所述燈絲(1)設(shè)置在一燈泡(2)內(nèi)，而且所述燈泡(2)包含一氣體或一氣體混合物，所述氣體或氣體混合物適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自所述燈絲(1)釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入所述燈絲(1)內(nèi)，所述光源的特征在于所述氣體或氣體混合物包括一富氧和/或一含氧化合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于所述燈絲(1)主要由一金屬碳化物構(gòu)成，優(yōu)選為碳化鉭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光源，其特征在于所述含氧化合物包含一氧化碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3其中一項所述的光源，其特征在于所述氣體還包括一低分子烴，尤其是乙炔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光源，其特征在于所述低分子烴包括甲烷或乙烷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5其中一項所述的光源，其特征在于所述氣體或氣體混合物包含一富氫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6其中一項所述的光源，其特征在于可在所述光源的工作或所述燈絲(1)的加熱期間通過所述燈泡內(nèi)的合適的化學(xué)元素或化合物的化學(xué)反應(yīng)形成所述富集物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7其中一項所述的光源，其特征在于所述低分子烴可連同至少一優(yōu)選為揮發(fā)性的含氧碳化合物或者含氧氣體化合物以及氫按一合適比例輸入所述燈泡(2)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光源，其特征在于所述含氧碳化合物包括酒精、醛、酮、一元羧酸或二羧酸。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的光源，其特征在于所述至少一含氧化合物包括二氧化碳、氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10其中一項所述的光源，其特征在于在所述燈泡(2)內(nèi)形成的氫超過單體氧。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11其中一項所述的光源，其特征在于在所述燈絲(1)周圍的氣氛內(nèi)的氧的濃度達(dá)到至少百萬分之50。
13.一種為一在一具有一可加熱燈絲(1)的光源且尤其是根據(jù)權(quán)利要求1-12其中一項所述的光源內(nèi)的化學(xué)元素提供一轉(zhuǎn)移作用的方法，其中所述燈絲(1)設(shè)置在一燈泡(2)內(nèi)，而且所述燈泡(2)包含一氣體或一氣體混合物，所述氣體或氣體混合物適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自所述燈絲(1)釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入所述燈絲(1)內(nèi)，所述方法的特征在于所述氣體或氣體混合物包括一富氧和/或一含氧化合物。
全文摘要
一種具有一可加熱燈絲(1)的光源，其中所述燈絲(1)設(shè)置在一燈泡(2)內(nèi)，而且所述燈泡(2)包含一氣體或一氣體混合物，所述氣體或氣體混合物適合于提供一轉(zhuǎn)移作用以使自所述燈絲(1)釋放的至少一化學(xué)元素再次返回和/或進(jìn)入所述燈絲(1)內(nèi)，所述光源相對于用一簡單方法達(dá)到一高能量效率來改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展以致于所述氣體或氣體混合物包括一富氧和/或一含氧化合物。此外，揭示了一種為一在一光源的化學(xué)元素提供一轉(zhuǎn)移作用的方法。
文檔編號H01K1/10GK1833307SQ200480021264
公開日2006年9月13日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者約爾格·阿諾爾德 申請人:Ip2H股份公司