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Die
Erfindung betrifft einen Carbonstrahler mit einem Strahler-Hüllrohr,
einem sich darin befindlichen Filament aus Carbon und zumindest
einem Kontaktbereich für einen elektrischen Anschlussleiter,
welcher zu einem außen liegenden Anschlusskontakt geführt
ist, wobei zumindest ein Getter innerhalb des Strahlerrohrs angeordnet
ist.
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Um
Infrarot-Strahler oder Lichtquellen mit einem Filament aus Kohlenstoff
als Strahlungsquelle (im folgenden als Carbonstrahler bezeichnet)
herzustellen, müssen diese Filamente aus geeigneten Ausgangs-Materialien
gefertigt werden. Diese Ausgangsmaterialien müssen in eine
gewünschte Form gebracht und mittels geeigneter Prozesse
in einen Kohlenstoff ausreichender Reinheit überführt
werden. Das Ausgangsmaterial sollte dazu in einen reinen Kohlenstoff überführbar
sein, wozu sowohl organische Stoffe, wie Baumwolle oder Bambus,
als auch synthetische Verbindungen auf Kohlenstoff-Basis, wie Resine,
carbonfaserverstärkte Thermo- oder Duroplaste, reiner Graphit
oder Verbindungen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Bor geeignet sind.
Entscheidend für den Einsatz und die Lebensdauer des Strahlers
ist hierbei eine ausreichende Reinigung bei ausreichend hoher Temperatur
mit genügend langer Dauer. Je nach Anforderung an die Strahler
variieren die Reinigungsprozesse und somit auch die benötigten
Fertigungs-Prozesse der Strahler erheblich.
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Meist
werden Carbonstrahler mit relativ geringen Filament-Temperaturen
betrieben. So werden die beispielsweise in der
US 6,654,549 , der
EP 1 298 961 oder der
US 6,949,727 beschriebenen Carbonstrahler
mit Filament-Temperaturen zwischen 900°C bis maximal 1000°C
spezifiziert. Dieser Temperaturbereich ist unkritisch im Hinblick
auf Anforderungen an die benötigten Reinigungsprozesse.
Selbst bei starken Verunreinigungen der Filamente oder Strahlerrohre
mit Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff etc. kommt es zu keinen
nennenswerten Ablagerungen von Kohlenstoff im Inneren des Strahlerrohres (Schwärzung).
Auch kann das Strahlerrohr selbst in geschwärzten Bereichen
keine Temperatur erreichen, bei der eine Entglasung des Quarzglases
auftritt. Als Entglasung wird die Phasenumwandlung des Quarzglases
hin zu einer kristallinen Phase, z. B. Kristobalit verstanden. Bei
der Carbonisierung eines stickstoffhaltigen Ausgangsmaterials (z.
B. einer auf Poly-Acrylo-Nitril (auch als PAN bezeichnet) basierenden
Carbon-Faser) wird Stickstoff im Temperaturbereich unterhalb von
1100°C nur in geringen Mengen freigesetzt. Dieser Stickstoff
wird hierbei direkt über chemische Verbindungen mit dem
gleichzeitig freigesetzten Sauerstoff und Wasserstoff in die Gasphase überführt.
Liegt jedoch im carbonisierten Filament kein Wasserstoff oder Sauerstoff
mehr vor, so wird über molekulare Bindungen im Filament
gebundener Stickstoff bei Temperaturen unterhalb von 1000°C
bis 1100°C nicht mehr aus dem Filament freigesetzt.
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Die
EP 0 700 629 offenbart einen
Carbonstrahler, der bei Filament-Temperaturen von 600°C bis
1800°C dauerhaft betrieben werden kann. Oberhalb von 1250°C
kommt es jedoch zu Veränderungen des Strahlers, wie der
Ablagerung von Carbon im Strahlerrohr (Schwärzung). Bei
Temperaturen oberhalb von 1350°C wird zudem ein kleinräumiger
Verlust von Carbon aus dem Filament beobachtet, welcher zu einem
Durchbrennen des Filamentes an dieser Stelle führen kann.
Beide Effekte führen mit zunehmender Temperatur zu einer
Verkürzung der Lebensdauer. Dies bedeutet, dass Strahler
dieser Art tatsächlich nur etwa bis zu einer Filamenttemperatur von
1400°C mit kommerziell nutzbaren Lebensdauern verwendet
werden können.
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Da
eine die Lebensdauer beeinflussende Abdampfung von Kohlenstoff vom
Filament erst etwa ab 1800°C erwartet wird, sind diese
Transport- und Erosionsvorgänge vorrangig auf Kreislaufprozesse unter
Beteiligung von aus dem Filament oder dem Strahler-Hüllrohr
freigesetzten Verunreinigungen zurückzuführen.
Dies sind neben dem bekannten Wasserkreislauf vermutlich auch Reaktionen
mit Stickstoff, sowie wenn vorhanden mit Schwefel und anderen Spurenstoffen.
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Um
diese schädlichen Verunreinigungen zu beeinflussen gibt
es wenige Ansätze in der Literatur: Die
US 254,780 beschreibt den Einsatz von
Chlor in Carbonlampen. Das Chlor reagiert beim ersten Betrieb des
Filamentes mit dem Wasserstoff im Strahler-Hüllrohr oder
Hüllkolben, so dass keine Schwärzung der Strahler-Hülle über
den Wasserkreislauf eintreten können soll.
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In
der
GB 1 085 420 ist
beschrieben, wie bei der Fertigung von Carbonlampen roter Phosphor
als Kurzzeitgetter im Kitt eingesetzt wird, der das Filament mit
den Strom zuführenden Drähten verbindet. Dieser
Phosphor wird beim Evakuieren des Glaskolbens durch das erste Betreiben des
Filamentes aktiviert und bindet durch chemische Reaktionen Wasserstoff
und Sauerstoff (sowie ungewollt Kohlenstoff). Ferner ist in der
GB 1 085 420 der Zusatz
einer Mischung aus Graphit, Zirkoniumpulver sowie rotem Phosphor
zum Zement beschrieben. Auch dieser Zement fixiert das Filament
an den elektrischen Durchführungen. Beide Zusätze
werden beim Verschließen der Lampe thermisch angeregt und
binden zu diesem Zeitpunkt alle Verunreinigungen im Strahler (Getter-Wirkung),
insbesondere die aus dem als Kleber genutzten Gummiarabicum freiwerdenden
Stoffe. Nachteilig ist jedoch, dass die Verarbeitung von Zirkoniumpulver
als extrem gefährlich einzustufen ist, da dieses bei ca.
160°C bis 180°C bereits explosiv mit Luft reagiert
und jederzeit durch elektrische Funken und andere Energiequellen
gezündet werden kann.
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Da
auch der in der
GB 1 085 420 beschriebene
rote Phosphor feuergefährlich ist, wird als Ersatz Phosphornitrid
P
3N
5 als Getter
eingesetzt. P
3N
5 wird als
Suspension in Ethanol oder Ethylenglykol gelagert, um eine Oxidation
zu verhindern. Er muss schnell verarbeitet werden und stellt einen
typischen Kurzzeitgetter dar, der bei einer ersten Aktivierung seine
Wirkung entfaltet, jedoch langfristig freiwerdende Verunreinigungen
nicht mehr binden kann.
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Phosphor
bildet also chemisch stabile Verbindungen auch mit Stickstoff, bevorzugt
jedoch mit Sauerstoff und Kohlenstoff. Daher eignet sich Phosphor
nicht als Getter für Stickstoff, wenn Kohlenstoff oder
Sauerstoff vorliegen. Phosphor bildet zudem stabile Verbindungen
mit Wasserstoff und Sauerstoff, so dass Phosphor als Getter den
Wasserkreislauf sowohl durch Gettern von Sauerstoff, als auch durch Gettern
von Wasserstoff unterbinden kann. Phosphor bindet jedoch nur die
bei der ersten Aktivierung freiwerdenden Stoffe, nicht jedoch Verunreinigungen, die
erst nach einigen Stunden Betrieb freigesetzt werden.
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In
der
EP 0 700 629 wird
zusätzlich beschrieben, Tantalbleche zur Fixierung von
Splinten einzusetzen. Tantal ist nicht nur verhältnismäßig
resistent gegen eine Carburierung, sondern auch als Getter für Sauerstoff
einsetzbar. Da Tantal jedoch oberhalb von 1200°C auch Carbide
bildet, wird es spröde und zerfällt je nach Betriebstemperatur
nach einigen 100 Stunden. Das starke Überangebot von Carbon,
insbesondere, wenn Tantal in direktem Kontakt mit dem Filament montiert
ist, um über die höhere Temperatur eine besonders
gute Getterwirkung zu erzielen, führt zudem dazu, dass
das Tantal im Wesentlichen nicht Sauerstoff gettert, sondern Carbide
bildet.
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Die
EP 0 700 629 beschreibt
ferner wie die Filamente aus Carbonfaser verstärktem Kunststoff hergestellt
werden, wobei die Fasern als Gewebe oder unidirektional vorliegen
und mit einem Resin umhüllt sind. Fasern auf PAN Basis
enthalten bedeutende Anteile von gebundenem Stickstoff. Andere Fasern
weisen andere herstellungsbedingte Verunreinigungen wie Schwefel
auf. In dem Kunststoff finden sich neben Sauerstoff und Wasserstoff
je nach Monomer noch Stickstoff und andere Beimengungen, sowie Verunreinigungen
von Schwefel etc. die als Hilfsstoffe für den Herstellprozess
des Kunststoffes eingesetzt wurden.
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Es
ist bekannt wie Fasern und Resin mittels entsprechender Wärmeprozesse
zu einem mehr oder weniger reinen Kohlenstoff weiterverarbeitet werden
können. Das so gewonnene Kohlenstoffprodukt weist einen
Restgehalt an Fremdatomen auf, der entscheidend von der Temperatur
und der Dauer der Wärmeprozesse abhängt. Dabei
ist die Herstellung von Filamenten aus Kohlenstoff ohne einen schädlichen
Restgehalt an Beimengungen technisch möglich und wird mittels
Prozessen, die oberhalb von 2000°C und über viele
Stunden hin ablaufen, sowie durch die Zugabe von Halogenen, die
eine zusätzliche Reinigung bewirken, erreicht. Solche Prozesse und
die dafür benötigten Anlagen sind jedoch einerseits
extrem aufwendig und teuer, andererseits sehr unflexibel, da in
einem Ofen zugleich große Mengen verarbeitet werden müssen,
um verhältnismäßig günstige
Produktionskosten zu halten.
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Ökonomische
Prozesse zur Umwandlung und Reinigung des Ausgangsstoffes bei niedrigeren Temperaturen,
kürzeren Zeiten und ohne Einsatz aggressiver Chemikalien
können keine vollständige Entfernung aller anderen
Elemente aus dem Kohlenstoffprodukt erreichen. Insbesondere fest
eingebundene Elemente verbleiben dann in z. T. erheblichen Restmengen
im Filament. Der Verzicht auf die vollständige Entfernung
aller potentiell schädlichen Substanzen aus dem Carbon-Filament
während der Herstellung bedeutet, dass die noch enthaltenen
Beimengungen über lange Zeit hinweg ausgasen können.
Diese später freigesetzten Verunreinigungen schädigen
dann entweder das Filament selbst oder transportieren über
weitere chemische Reaktionen, die dann zwischen der Gasphase und
dem Filament ablaufen, Carbon vom Filament auf das Rohr (Kreisprozesse)
und schädigen so indirekt den Strahler. Es hat sich gezeigt,
dass eine besonders schädliche Wirkung insbesondere Sauerstoff
und Stickstoff sowie Schwefel zeigen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, schädliche Gase und durch sie verursachte
Prozesse in Strahlern, welche bei Filament-Temperaturen oberhalb von
1000°C, insbesondere oberhalb von 1250°C betrieben
werden, zu vermeiden und somit die Lebensdauer dieser Strahler wesentlich
zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird bereits mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu
entnehmen. Der erfindungsgemäße Carbonstrahler
mit einem Strahler-Hüllrohr, einem sich in dem Strahler-Hüllrohr
befindlichen Filament und zumindest einem Kontaktbereich für
einen elektrischen Anschlussleiter, welcher zu einem außen
liegenden Anschlusskontakt geführt ist, sieht vor, dass
zumindest ein Getter innerhalb des Strahlerrohrs angeordnet ist.
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Unter
Getter wird hier ein chemisch reaktives Material verstanden, das
dazu dient, ein Vakuum oder eine Gasfüllung, die aus einem
Edelgas, wie Argon, Krypton oder Xenon besteht, möglichst
lange rein zu erhalten oder aber Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff,
Schwefel oder andere Verunreinigungen, die aus dem Carbonband im
Betrieb ausgasen, und Verbindungen der zuvor genannten Elemente
sowie ihre Verbindungen mit Kohlenstoff ganz oder teilweise aufzunehmen.
An der Oberfläche eines Getters gehen Gasmoleküle
mit den Atomen des Gettermaterials eine direkte chemische Verbindung
ein oder die Gasmoleküle werden durch Sorption festgehalten – sie
lösen sich im Gettermaterial indem sie in Freiräume,
die die Gitterstruktur der Getter bietet, diffundieren. Auf diese
Weise werden Gasmoleküle eingefangen, was hier auch als
Lettern bezeichnet wird.
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Ein
derartiger Getter ermöglicht überraschenderweise,
dass die über die Lebensdauer des Strahlers langfristig
freiwerdenden schädlichen Restmengen an Gasen schnell innerhalb
des Strahlers gebunden werden und so aus der Gasphase ferngehalten
werden können. Dies führt dazu, dass die Lebensdauer
des Strahlers deutlich erhöht wird.
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Es
hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Carbonstrahler
mit einem Getter aus vorwiegend Zirkonium oder einer Legierung mit dem
Hauptbestandteil Zirkonium besteht. Derartige Getter binden vorrangig
Sauerstoff, sowie Stickstoff und auch Schwefel. Es ist hierbei,
wie bei allen Carbon-Strahlern nicht notwendig, dass auch der Wasserstoff
gegettert wird. Es hat sich gezeigt, dass es sogar vorteilhaft ist,
wenn der Wasserstoff in der Gasphase verbleibt, also vom Getter
nur in unwesentlichen Mengen absorbiert wird oder im Betrieb aufgrund
der hohen Temperatur des Getters im Wesentlichen wieder frei gesetzt
wird. Dies führt ebenfalls dazu, dass die Lebensdauer des
Strahlers erhöht wird.
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Auch
ist es möglich, einen Getter zu verwenden, dessen Hauptbestandteil
Vanadium oder Hafnium ist. Es hat sich gezeigt, dass Getter, die
Beimengungen con Vanadium oder Hafnium enthalten, ebenfalls hervorragende
Eigenschaften bezüglich des Getterns aufweisen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn das Filament zusätzlich zur Carbonisierung
thermisch behandelt ist. Die thermische Behandlung bewirkt, dass
das Filament eine langfristige elektrische und mechanische Stabilität
aufweist und somit besonders geeignet ist für den Einsatz
in einem Carbonstrahler.
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Üblicherweise
werden Getter auf einem Stahlblech montiert ausgeliefert und derart
angeordnet, dass sie in der Nähe des Filaments angebracht sind.
Da Stahlbleche zum Carburieren neigen, werden diese Getter mit Halterungen
bevorzugt mittels eines gegenüber der Carburierung resistenteren
Material, wie z. B. Refraktärmetallen, also Molybdän oder
Tantal, oder auch mittels keramischer Komponenten umhüllt
und so langfristig fixiert.
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Da
bei höheren Temperaturen des Getters Stahl zur Bindung
von Kohlenstoff und nachfolgend zur Versprödung neigt,
also zur Carburierung, ist es vorteilhaft, den Getter mechanisch
mittels Blechen oder Vorrichtungen aus hochschmelzenden Metallen mit
erst bei hohen Temperaturen einsetzender Carburierung zu fixieren.
Hierbei haben sich Molybdän oder Tantal als geeignet erwiesen.
Andere hochschmelzende Metalle eigen sich prinzipiell, sind jedoch,
wie Wolfram schlecht umzuformen, oder wie Platin zu teuer, Die Erfindung
wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele
und unter Bezugnahme der beigefügten Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigt in schematischer Darstellung:
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1:
einen Carbonstrahler
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2:
eine Ansicht des Filaments mit dem angeordneten Getter.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Rundrohrstrahlers mit einem Filament aus
einem Carbonband 1. Das Carbonband 1 ist mit Molybdänklammern 2 elektrisch
kontaktiert und mit einer Feder 3 im Strahlerrohr 4 gespannt.
Die anschließende Stromführung ist im Bereich
der Quet schung 5 durch eine flächige Molybdänfolie 6 realisiert.
Auf den Quetschungen 5 sind Sockel 7 sowie Litzen 8 für
den elektrischen Anschluss montiert.
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2 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht einen Getter 11, der
auf einem vernickelten Stahlblech 12 angeordnet ist. Der
Getter 11 wird von unten in die entsprechende Aussparung
im Molybdänblech 13 gelegt. Das Trägerblech 12 des
Getters wird so gebogen, dass beides am Molybdänblech 13 fixiert ist.
Zusätzlich werden Trägerblech 12 und
Molybdänblech 13 verschweißt. Das Molybdänblech 13 wird mit
der weiterführenden Stromführung auf der Molybdänklammer 14,
die das Carbonband 15 elektrisch kontaktiert, gehalten.
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Ausführungsbeispiele:
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Ausführungsbeispiel 1:
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In
einem Carbon-Strahler, wie er beispielsweise in der
EP 0 700 629 beschrieben ist, wird
ein Getter bestehend aus einer Zirkonium-Aluminium-Legierung und
auf einem vernickelten Stahlblech montiert, eingebracht. Bevorzugt
ist der Getters mittels Punktschweißen nahe dem Ende des
Filaments an einem Molybdänband befestigt. Direkt nach
der Montage wird der Strahler verschlossen, evakuiert und der Getter
mittels eines Hochfrequenzgenerators aktiviert. Bei Betrieb des
Strahlers in einem Temperaturbereich, bei dem normalerweise Schwärzungen auftreten
(1350°C Filamenttemperatur), hat sich gezeigt, dass in
den ersten 1000 Betriebsstunden keine Schwärzungen im Strahlerrohr
entstehen. Die Hülle des Getters aus vernickeltem Stahlblech
jedoch verfärbt sich und die Punktschweißungen
lösen sich nach wenigen Stunden, so dass der Getter lose
im Strahlerrohr liegt, jedoch seine Funktion des Getterns erfüllt.
Es hat sich gezeigt, dass sich auch nach über 2000 Stunden
Betrieb kein die Funktion beeinträchtigender Belag im Strahlerrohr
bildet.
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Ausführungsbeispiel 2:
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In
einem Carbon-Strahler wie er beispielsweise in der
EP 0 700 629 beschrieben ist, wird
ein Getter bestehend aus einer Zirkonium-Aluminium-Legierung und
montiert auf einem vernickelten Stahlblech eingebracht. Dieser Getter
wird zusammen mit seinem Halter aus vernickeltem Stahlblech in einen
Molybdänbügel mit einer Aussparung für
den Getter gelegt und anschließend wird dieser Molybdänbügel
mittels Punktschweißen mit einer Molybdänklammer
zum Hal ten des Filaments befestigt. Direkt danach wird der Strahler
verschlossen, evakuiert und der Getter mittels eines Hochfrequenzgenerators aktiviert.
Es erfolgt dann eine Vergoldung des Strahlerrohrs auf der gesamten
Länge über einen Winkel von 180°. Der
Strahler wird nun bei einer Temperatur betrieben, bei der sonst
Schwärzungen auftreten (ca. 1350°C). In den ersten
1000 Stunden Betrieb ist keine Schwärzung im Strahlerrohr
sichtbar. Die Hülle des Getters aus vernickeltem Stahlblech
verfärbt sich allerdings, er bleibt jedoch in seiner Position
und erfüllt weiter seine Funktion, so dass auch nach 2000 Stunden
Betrieb das Strahlerrohr nahezu ohne Belag ist und der Strahler
optimal genutzt werden kann.
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Ausführungsbeispiel 3:
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In
einem Carbon-Strahler wie er beispielsweise in der
EP 0 700 629 oder der
EP 1 283 659 beschrieben ist, werden
insgesamt vier Getter bestehend aus einer Zirkonium-Aluminium-Legierung
und montiert auf einem vernickelten Stahlblech, eingebracht. Diese
werden mittels Punktschweißung nahe den Enden der beiden
Filamente an einem Molybdänband befestigt. Anschließend
wird der Strahler verschlossen und dabei mit Argon mit einem Druck von
ca. 800 mbar gefüllt und anschließend der Getters
mittels eines Hochfrequenzgenerators aktiviert. Danach erfolgt eine
Vergoldung des Strahlerrohrs auf der gesamten Länge über
einen Winkel von 180°. Bei Betrieb des Strahlers bei einer
Temperatur von 1350°C, wo normalerweise Schwärzungen
auftreten, zeigen sich keine Verfärbungen im Strahlerrohr.
Es ist jedoch zu erkennen, dass die Hülle des Getters sich
verfärbt und die Punktschweißungen sich lösen, so
dass der Getter lose im Strahlerrohr liegt. Er erfüllt jedoch
seine Funktion weiter, so dass auch nach über 2000 Stunden
Betrieb das Strahlerrohr nahezu ohne Belag ist.
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Ausführungsbeispiel 4:
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In
einem Strahler mit einer Glühwendel und einem in Reihe
geschalteten Carbonfilament in jedem Stahlerrohr eines Zwillingsrohrstrahlers
wie er in der
DE 101 37 928 beschrieben
ist, wird jeweils ein Getter am Übergang zwischen der Glühwendel
und dem Carbonband montiert. Es werden insgesamt zwei Getter aus
einer Zirkonium-Aluminium-Legierung verwendet. Wie
2 zu
entnehmen, werden die auf einem vernickelten Stahlblech
12 montierten Getter
11 mit
einem Molybdänblech
13 am elektrischen Kontakt
14 des
Carbonbands
15 fixiert. Anschließend wird der
Strahler verschlossen und dabei mit Argon mit einem Druck von ca.
1000 mbar gefüllt. Die Getter werden mit einem Hochfrequenzgenerator aktiviert.
Danach erfolgt eine Vergoldung des Strahlerrohrs. Beim Betrieb des
Strahlers mit einer Temperatur der Glühwendel von ca. 2200°C
und einer Temperatur des Carbonbands von ca. 1250°C werden aus
dem Carbonband ausgasende Stoffe von den Gettern aufgenommen. Das
vernickelte Stahlblech verformt sich und reißt, so dass
die Getter bereits nach 400 Betriebsstunden des Strahlers kaum noch an
ihrer ursprünglichen Position fixiert sind. Die Funktion
der Getter wird dadurch aber nicht eingeschränkt. Auffallend
ist, dass die ausgasenden Stoffe nicht nur von den Gettern aus der
Zirkonium-Aluminium-Legierung sondern auch von anderen Bauteilen des
Strahlers aufgenommen werden. Bestehen diese aus getternden Metallen,
die eigentlich mechanische Funktionen ausfüllen, wie z.
B. Stützscheiben aus Tantal, so können diese verspröden
und langfristig ihre Funktion nicht mehr erfüllen. So ist
eine geeignete Menge an Gettern zur Aufnahme sämtlicher
Gase vorzusehen und die Glühwendel und das Carbonband sind
räumlich so zu trennen, dass eine Diffusion der ausgasenden
Stoffe am Getter vorbei hin zur Glühwendel weitestgehend
unterbunden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6654549 [0003]
- - EP 1298961 [0003]
- - US 6949727 [0003]
- - EP 0700629 [0004, 0010, 0011, 0029, 0030, 0031]
- - US 254780 [0006]
- - GB 1085420 [0007, 0007, 0008]
- - EP 1283659 [0031]
- - DE 10137928 [0032]