专利名称：光源和制造光源的方法
技术领域：
本发明涉及一种光源，特别是一种白炽灯，包括一个灯泡，一布置在灯泡内的灯丝和灯丝的加热装置，其中，灯丝既发射可见光，也发射热辐射。另外，本发明还涉及制造上述类型光源的方法。
背景技术：
所述类型的光源很长时间以来已在实际应用中为人们所熟知，并且具有不同的结构型式和尺寸规格。其中，例如白炽灯，人们知道它是一种电光源，一般其中有一根钨丝，通过电流加热达到尽可能高的温度。同时产生热辐射，炽热的金属丝的光效能随着温度的升高而增强。除此以外，众所周知，还有所谓的非热辐射源，如采用低压或高压结构型式的惰性气体、水银，钠或金属卤化物放电灯，统称为放电灯。
迄今为止，人们所了解的用电工作的各类电光源，它们共同的缺点是从电功率转换成可见光的光功率的效率很低。转换率几乎超不过30％。所耗用的电功率的大部分主要是表现为热量形式的没有经济效益的损耗功率。提高人们所知的这种光源的一种可能性在于，把由灯丝或炽热的金属丝发射的热量由灯泡的内侧反射回到灯丝或炽热的金属丝上去。由此产生一种灯丝的或炽热金属丝的返回热。这样所得到的结果是，为了达到同样的的灯丝温度，较之在没有反射的情况下进行加热时所需要的电功率要小。而由灯泡所发射的可见光功率则是完全相同的。在理想的情况，只需要发射可见光功率和由灯泡所吸收的热损耗功率加起来的那么多的电功率。转换效率改善的百分率相当于反射的热辐射率。如果我们以钨丝灯的一般热损耗为大约25％为依据，忽略灯泡内侧的镜面化镀层的辐射吸收，理论上，转换效率可以提高到75％或140流明/瓦特，典型情况下，其中电介质镜面化镀层的吸收只有0.1％。
如果灯泡内侧的镜面化镀层具有例如99.9％的反射能力，据统计，镜面化镀层材料中吸收的光子为千分之一。因此，在辐射发射到灯泡中时，在光子通量完全被吸收到灯泡中之前，它在灯泡内侧上只能进行1000次的反射。
现在已知的灯丝中存在的问题在于，例如已知的灯丝或炽热金属丝的螺旋线形状，只允许吸收反射热辐射的很小一部分，因为热辐射的大部分没有反射到很细的螺旋形金属丝上。因此，采用传统的灯丝或炽热金属丝，有效的吸收和再加热是不可能的。所以，在传统的光源上不可能实现高转换效率。
发明的概要说明本发明的基本任务是，提供一种本文开头所述光源以及制造这种光源的方法，以便据以用简单的手段达到高转换效率。
以上提出的任务，一方面是通过一种具有权利要求1所述特征的光源解决的。据此，这种光源是这样构成的，即灯丝具有一个扁平部分。
按照符合本发明的方式可以断定，用令人惊异的简单方法构成一种独立的灯丝加热元件可解决上述任务。其中，灯丝间接地通过加热元件加热，这样所产生的一大优点是，灯丝的设计可以与其电阻特性无关，因此，有可能实现大面积的灯丝，它对由灯泡内侧反射的热辐射具有高吸收能力，实现为加热灯丝所需要的加热设备可以与灯丝的设计构型无关。因此，一种可以利用可安全使用的电流工作的加热设备也是可以实现的。加热设备与灯丝之间不再需要电接触。
按照符合本发明的方式可以断定，光子通量在反射轨道上与灯丝或炽热金属丝相遇并被吸收的概率，与灯丝的体积或灯丝的表面面积与灯泡的反射体积或灯泡的反射表面面积之比成正比。因此，为了使灯丝达到尽可能高的返回热量，如果灯丝的面积相当大，以至于光子通量在经过尽可能少的反射次数之后在灯泡的内侧与灯丝相遇并被吸收，这样才具有优越性。
因此，利用符合本发明的光源可以提供一种用简单方法就能达到高转换效率的光源。
为了优化对可见光透明的灯泡内侧的反射状态，灯泡可以在其内侧加以镜面化镀层。同时，这样可能以特别有利的方式处理介电多层镀层问题。其中采用光谱可选择的镜面化镀层，它基本上能反射热辐射成分和传送可见的辐射射线。
如何扩大灯丝的面积，可能产生的缺点是灯丝的电阻变小，因为对电流有决定作用的导线横截面变大了。这样做的结果是，为了达到发光所需要的灯丝温度，要求比采用一般灯丝面积或一般灯丝横截面时大得多的电流。对于光源的用户来说，这可能引起安全问题。这样，综合起来考虑，在尽可能高的灯丝面积和为此所需要的不利的高电流这个问题上就会陷入困境。此外，采用大面积灯丝的缺点是，特别是在强温升的情况下造成机械不稳定，并且由于重力的作用造成变形。在极端情况下，灯丝可能会与灯泡内侧发生接触，并且/或者造成功能失灵。
为了解决上述问题，灯丝可以至少部分地用一种烧结的金属粉末构成。这样一种烧结材料可以想象为多孔海绵，其中，原始金属的粉末要素或颗粒大部分仅有点状的彼此相连的焊接触点。由此形成一个特别小的有效的导电横截面，并增加了有效的导线长度。此外，烧结材料还有很高的机械稳定性。因此，通过使用烧结的金属粉末，一方面可以提高电阻，另一方面也可提高机械强度。这有利于采用大面积的灯丝。
灯丝或金属粉末可以含有钨和/或钽和/或铼和/或铌和/或锆，其中钽在实践中证明特别有利。作为可交替使用的或补充的方案，灯丝至少可以部分地由非金属构成。这样也可以达到提高电阻的目的。
为了进一步提高一般灯丝或由某一种烧结的金属粉末制成的灯丝的机械稳定性，灯丝至少要部分地由用碳化钽和/或碳化铼和/或碳化铌和/或碳化锆构成。具体地说，可以采用上面列举的一种或多种碳化物作为由烧结金属粉末构成的灯丝的镀层材料。一般情况下，灯丝可以采用一种熔点高于灯丝材料的镀层材料作为覆盖层。通过上面所述的灯丝镀层，灯丝工作时的表面温度可以超过现在所知的一般钨丝灯泡的表面温度。
具体地说，灯丝由烧结的钽材料基体构成，这种基体由碳化钽构成其表层。碳化钽是一种特别耐高温的硬质材料，这种材料由于成晶格状熔化在多孔的海绵状烧结金的拓扑结构中，使材料产生高机械强度或高静力强度。因此，灯丝材料具有符合要求的极高的电阻和足够的强度，完全可以避免工作时高温灯丝熔化。
用结构上特别有利的方法，扁平部分可以设计成带有两纵边的带材。另外，分别在两纵边上各有两个翼状的扁平元件突出于带材。总共4个扁平元件可以各以约90度的角度突出于带材。换句话说，扁平部分可以具有两个U形剖面的形状，其中两个U形剖面各在一端相互联接，彼此几乎是背对背地处在一起。在U形剖面对面的端部设有灯丝的电气触点。灯丝以这样的扁平部分对形成对热辐射的吸收特性非常有利。
作为上述设计构型的可以交替使用的方案，扁平部分可以设计成盘形的或圆柱形外壳形的。其中，设计构型可以设想为完整的圆柱形外壳，也可以设想为圆柱形外壳的一部分，特别是可以设想为半个圆柱形外壳。在基本上为完整的圆柱形外壳的情况下，这种圆柱形外壳也可以设计成在侧面敞开的或者有纵向开口的。这样对于灯丝的散热性能是有利的。
为了保证能特别有效的吸收由灯泡内侧发射的热辐射，圆柱形外壳或部分圆柱形外壳或半个圆柱形外壳的直径可以设计得略小于灯泡的直径。特别是，在这种情况下，灯丝可以布置在灯泡的中心，并且/或者布置在灯泡内与灯泡的纵向轴线共轴的位置上。
根据灯丝的设计构型，灯丝可以把灯泡的整个内腔分成一个或多个半内腔或分内腔。
灯泡可以具有一个如此之大的外表面，以至于可以通过对流冷却或通过其它强制冷却方法把由于例如吸收热辐射所产生的表面热量带走，灯丝或灯泡的尺寸和形状可以相应地相互调整。
由于灯丝具有可以达到的大面积，因此可以构成大光功率的光源。光源的色温也可以与灯丝或炽热元件的的表面温度无关，独立地进行调整。这一点可以通过光谱可选择的镜面化镀层实现，光谱可选择的镜面化镀层可以预先传送由灯泡发射的辐射功率的光谱分布以及由此而产生的色温。
与传统的灯丝相比，灯丝的表面温度可以调整得比较小，因为通过较大的和温度较低的灯丝表面可以产生不相上下的可见光通量。因此，灯丝表面构成了一个设计上新的和附加的自由度。
虽然灯丝可以在相对较低的温度下工作，因而所产生的灯丝材料的蒸发也相对较小，但由于表面面积很大，考虑到有效的吸收，不需要的蒸发可能出现在尽可能接近灯泡内侧的位置上。由于蒸发的和沉积在灯泡内侧附近的灯丝材料，降低了灯泡内侧的或灯泡内侧镜面化镀层的反射率，从而提高了灯泡的或镜面化镀层的吸收率，即提高了热损失功率。因此，进一步降低灯丝材料的蒸发是很有意义的。
为了降低灯丝材料的蒸发，可以在灯泡内投放惰性气体和/或卤素气体，其中卤素气体可能具有溴和/或碘。这样，在使用钨灯丝的情况下可能产生通常的钨碘循环。
作为可替代的解决蒸发问题的另一个解决办法，可以用一种涂敷材料给灯丝涂上一层涂层，涂敷材料的熔点高于灯丝材料。这个问题的关键在于与温度相关联的固体的蒸汽压力与它的熔点的关系。另外，沉积的涂敷材料的吸收率略低于一般灯丝的沉材料的积层。作为熔点很高的涂敷材料，可以使用例如碳化钽和/或碳化铼和/或碳化铌和/或碳化锆。
通过设计上规定的大灯丝面积可以产生，并由光源发射出很大的光通量，以至于只使用一个根据本发明的光源就能照明很大的建筑物内部空间外部场地。
另外，上面所提出的任务也可以通过本文开头提出的，具有权利要求21之特征的那种类型的光源的制造方法加以解决。为此，首先要用烧结的金属粉末制备灯丝。通过烧结金属粉末，可以利用初始颗粒的大小、粉末的密度和烧结温度，控制烧结材料的导电率。这样，可以制成具有相应高电阻和机械稳定性的材料。这就为使用具有大尺寸扁平部分的灯丝创造了条件，不至于因对电阻有重要意义的导线横截面导致电阻太小，也不会在重力影响下破坏大平面的机械稳定性。即使在高工作温度下，灯丝也不会下垂和熔化。
要充分利用烧结灯丝的多孔海绵状的拓扑结构，通过将灯丝暴露到二氧化碳或二氧化碳-惰性气体的环境中，形成一种金属碳化物方法，以使材料产生高机械稳定性。换言之，要通过将灯丝暴露在一种相应的气体环境中，在灯丝的外表面上形成一层金属碳化物保护层。根据保护层的厚度或金属碳化物反应的渗透深度，使有效电阻继续降低。当处理温度高于1000摄氏度时，碳化物开始形成，当处理温度高于1400摄氏度时，在一定的处理时间过后，完成完全碳化。
金属碳化物是一种特别耐高温的硬质材料。它由于掺入到灯丝材料的多孔海绵状拓扑结构内，像构架一样使灯丝产生机械或静力强度。因此，灯丝材料能够如愿以偿地达到特别高的电阻和足够的强度，足以避免工作状态下发热的灯丝熔化。
当形成金属碳化物保护层产生足够的强度后，处理温度以及以后的金属碳化物-金属灯丝的工作温度可以升高到金属的熔点以上。金属碳化物在流动的金属芯的周围形成一层坚固的外壳。由于例如不同的热膨胀系数造成的金属碳化物外壳中可能的应力裂纹，可以通过在裂纹处出现的金属，即或通过在该处生成的金属碳化物的立即渗入进行修补。
在灯丝生成一层保护膜后，可以通过辊压在制造方法中补充进行一项压实工序，这对于导电率同样也会产生影响。
考虑到特别可靠地制造灯丝，可以在灯丝成型后将它插入到一个两端敞开的灯泡内，并在灯泡的一端通电。这样，灯丝在成形后以可在灯泡内受到保护的情况下压实。这样可为后面的加工工序提供保护。
在将灯丝插入灯泡中之后，可将灯泡的一端封闭。同时，根据情况用钨丝和/或钼金属条构成的一般电接头连接到灯丝上，并用端部熔化或压紧。灯泡可用石英管构成。
现在可用特别简单的方式，通过灯泡的另一端，把二氧化碳或二氧化碳-惰性气体充入灯泡中，以实现把灯丝暴露到二氧化碳或二氧化碳-惰性气体的环境中。另外，灯丝可在金属碳化物形成之前和/或金属碳化物形成过程中进行电加热。这洋，可根据情况对金属碳化物的形成进行控制，直到它结束为止。特别是，金属碳化物的形成可以根据灯丝的电阻特性进行控制。为此，可在灯丝的整个触点电接通的过程中测量加热电流和加热电压，并相应地进行分析，以便进行控制。换言之，金属碳化物的形成可以经过电压-电流特性以及经过电阻特性直接进行监视，并据以进行控制。
另一种制造方法是，金属碳化物-金属灯丝在金属碳化物转化时不直接进行加热，并在灯泡之外万成制造，其缺点是，金属碳化物的形成或需要达到的灯丝的电阻不能直接进行调整，而且，金属碳化物-金属灯丝在灯泡之外可能非常容易破碎。
可以充分利用钽的特别良好的可变形性。由于碳化钽具有非常高的熔化温度，因此在通常的光源工作温度下，碳化钽的蒸发速度特别低，灯泡失泽也非常小。此外，碳化钽在可见光谱范围内是黑色的，因此碳化钽的谱辐射能力也高。特别是，多孔碳化钽的表面与非多孔的表面相比，在普朗克黑体定律的意义上，显得其黑色度较高。
碳化钽-钽灯丝的另一个优点是，与钨灯丝相比，其热传导率大约只有一半大小。加之碳化钽-钽灯丝再吸收面积较大，多半在灯泡内侧反射的以及在该处吸收的红外辐射较小，以及热传导能力也相对较小，这几个方面结合起来，使它可以达到很小的热损失功率。碳化钽-钽灯丝可以被加热到最大可能的钨灯丝的工作温度。
附图的简单说明有各种不同的可能性，以优异的方式把本发明的原理设计出来和进而制造出来。为此，一方面要了解权利要求1以及权利要求21后面的诸项权利要求，另一方面还要了解根据设计图纸对本发明光源的一较佳实施例的说明。与根据设计图纸对本发明光源的一较佳实施例的说明结合起来，还能普遍地解释对原理进行较佳的设计和进而制造的方法。在图中
图1是一透视侧视图，表示本发明的一光源实施例，图2是一图1所示实施例的透视侧视图，表示转动90度后来看图1，以及图3是一图1所示的实施例的俯视图。
较佳实施例的详细叙述图1用透视侧视图表示本发明一光源的实施例。光源被设计成白炽灯，它有一个灯泡1，灯泡内布置有一灯丝2或一炽热元件。为了给灯丝2加热，设有一发热装置3，要为它提供一定的电流。被加热的灯丝2既发射可见光，也发射辐射热。
考虑到光源的高转换效率，灯丝2有一扁平部分4。扁平部分4可用来大量吸收由灯泡1内侧反射的和原本由灯丝2辐射的热辐射。因此，灯丝2在一定程度上是可再加热的。这样就有可能时光源以小于传统光源的能量达到同样的光功率。所以。根据本发明的光源与传统的光源相比，可以以较小的能源工作，因而比传统的光源更经济。
在灯丝2上安装了馈电引线5，它与发热装置3的电触点3相连。在灯泡1的内侧设有一层镜面化镀层7，它可以大幅度地提高灯泡1内侧热辐射的反射能力。
灯丝2基本上是由两U形型材8构成的。U形型材8在其上端是电连结的。U形型材8在其下端各与一根馈电引线5接触。换言之，灯丝2的扁平部分4被设计成带有两个纵边9的带材，在两纵边上各有两个翼状的扁平元件10突出于带材。总共4个扁平元件可以各以约90度的角度突出于带材。
光源的全部电接触都设在灯泡1的下端11。
灯丝2由烧结的钽粉末及其表面上的碳化钽镀层构成。
图2表示在绕灯泡1的纵轴转动90度后的位置上所见的图1所示的光源。图中，扁平元件10特别容易辨认。U形型材8各通过两个扁平元件10和一个带材，即灯丝2的基本部分构成。关于对光源其它元件的说明，参见对图1的说明。
图3用一俯视图表示图1中表示的一光源的实施例。图中，在其上端相互连接的两个U形型材8特别容易辨认。灯丝2在灯泡中是共轴布置的。馈电引线5安装在U形型材8的内侧。在灯泡1的内侧设有镜面化镀层7。扁平元件10沿灯丝的纵边9布置。
关于本发明原理的设计构型和进一步构成的其它优点，一方面可参见说明书的一般部分，另一方面也可参见所附各项权利要求。
最后需要特别强调指出，前面完全是随心所欲地挑选的实施例仅仅是为了说明本发明的原理，本发明的原理并不局限于这个实施例。
权利要求
1.一种光源，特别是白炽灯，包括一个灯泡(1)，一根布置在灯泡内(1)内的灯丝(2)和灯丝(2)的发热装置(3)，其中灯丝(2)既发射可见光，也发射热辐射，其特征在于，发热装置(3)有一个扁平部分(4)。
2.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，灯泡(1)在其内侧有一层镜面化镀层(7)。
3.根据权利要求2所述的光源，其特征在于，其镜面化镀层(7)通过多层介电镀层构成。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的光源，其特征在于，其灯丝(2)至少部分地是由一种烧结的金属粉末构成的。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的光源，其特征在于，其灯丝(2)或金属粉末包括有钨和/或钽和/或铼和/或铌和/或锆。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的光源，其特征在于，灯丝(2)至少部分地是由一种非金属构成的。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的光源，其特征在于，其灯丝(2)至少部分地是由碳化钽和/或碳化铼和/或碳化铌和/或碳化锆构成的。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的光源，其特征在于，灯丝(2)镀有一层保护层材料，这种材料的熔点高于灯丝材料。
9.根据权利要求8所述的光源，其特征在于，其保护层材料含有碳化钽和/或碳化铼和/或碳化铌和/或碳化锆。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的光源，其特征在于，扁平部分(4)被设计成带有两纵边(9)的带材。
11.根据权利要求10所述的光源，其特征在于，在其两纵边(9)上各有两个扁平元件(10)成翼状突出于带材。
12.根据权利要求11所述的光源，其特征在于，四个扁平元件(10)各以约90度的角度突出于带材。
13.根据权利要求1到9中任一项所述的光源，其特征在于，扁平部分(4)被设计成盘状或圆柱形外壳形状。
14.根据权利要求1到9中任一项所述的光源，其特征在于，扁平部分(4)被设计成半个圆柱形外壳形状。
15.根据权利要求1到9中任一项所述的光源，其特征在于，扁平部分(4)被设计成敞开的，纵向开口的圆柱形外壳。
16.根据权利要求13到15中任一项所述的光源，其特征在于，圆柱形外壳或半个圆柱形外壳的直径仅略小于灯泡(1)的直径。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的光源，其特征在于，灯丝(2)在灯泡(1)内是同心布置的。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的光源，其特征在于，灯丝(2)是与灯泡(1)的纵轴共轴布置的。
19.根据权利要求1到18中任一项所述的光源，其特征在于，灯泡(1)内有一种惰性气体和/或一种卤素气体。
20.根据权利要求19的光源，其特征在于，卤素气体含有溴和/或碘。
21.一种制造光源的方法，特别是制造根据上述诸项权利要求的光源、以及制造包括一个灯泡(1)，一根布置在灯泡内(1)内的灯丝(2)和灯丝(2)的发热装置(3)，其中灯丝(2)既发射可见光，也发射热辐射这样一种光源的方法，其特征在于以下步骤- 制备一个由烧结的尽数粉末构成的灯丝(2)；- 把灯丝(2)暴露到二氧化碳或二氧化碳-惰性气体的环境中，形成一种金属碳化物；- 把灯丝(2)密封在灯泡(1)内。
22.根据权利要求21所述的制造光源的方法，其特征在于，灯丝(2)加工制备之后辊压成一层薄膜。
23.根据权利要求21或22所述的制造光源的方法，其特征在于，灯丝(2)在制备完成之后插入到两端敞开的灯泡(1)中，并在灯泡(1)的一端(11)实施电接触。
24.根据权利要求23所述的制造光源的方法，其特征在于，将其一端(11)密封起来。
25.根据权利要求23或24所述的制造光源的方法，其特征在于，通过灯泡(1)的另一端，把二氧化碳或二氧化碳-惰性气体充入灯泡(1)中，以实现把灯丝(2)暴露到二氧化碳或二氧化碳-惰性气体的环境中。
26.根据权利要求21到25中任一项所述的制造光源的方法，其特征在于，灯丝(2)在金属碳化物形成之前和/或金属碳化物形成过程中进行电加热。
27.根据权利要求21到26中任一项所述的制造光源的方法，其特征在于，金属碳化物的形成根据灯丝(2)的电阻特性进行控制。
28.根据权利要求21到27中任一项所述的制造光源的方法，其特征在于，金属粉末含有钨和/或钽和/或铼和/或铌和/或锆。
全文摘要
一种光源,尤其是一种白炽灯,包括一个灯泡(1),布置在灯泡(1)内的灯丝(2)和灯丝(2)的发热装置(3),其中灯丝(2)既发射可见光,又发射热辐射,考虑到输入的电功率与发射的光功率之间的高转换效率,它是这样设计的,即灯丝(2)有一扁平部分(4)。这样一种光源可以通过一种方法制造,按这种方法首先用烧结的金属粉末制成灯丝(2)。然后把灯丝(2)暴露到二氧化碳或二氧化碳－惰性气体的环境中,形成一种金属碳化物。最后把灯丝(2)密封在灯泡(1)内。
文档编号H01K1/14GK1370327SQ0081190
公开日2002年9月18日 申请日期2000年3月24日 优先权日1999年8月22日
发明者J·阿诺尔德 申请人:Ip2H股份公司