Галогенная лампа

<час />

Фон

Галогенная лампа - это разновидность лампы накаливания. Обычная лампа накаливания содержит вольфрамовую нить накаливания, запечатанную внутри стеклянной оболочки, которая либо откачана, либо заполнена инертным газом или смесью этих газов (обычно азотом, аргоном и криптоном). Когда к нити применяется электрическое питание, она становится достаточно горячей (обычно более 3 600 ° F [2 000 ° C]), чтобы загореться; Другими словами, нить накала светится и излучает свет. Во время работы вольфрам, испаряющийся из горячей нити накала, конденсируется на внутренней стенке колбы охладителя, в результате чего колба почернеет. Этот процесс почернения постоянно снижает световой поток в течение всего срока службы лампы.

Галогенная лампа имеет несколько модификаций, чтобы устранить эту проблему почернения. Колба, сделанная из плавленого кварца вместо известково-натриевого стекла, заполнена теми же инертными газами, что и лампы накаливания, смешанными с небольшими количествами газообразного галогена (обычно менее 1% брома). Галоген химически реагирует с отложениями вольфрама с образованием галогенидов вольфрама. Когда галогенид вольфрама достигает нити накала, из-за сильного нагрева нити галогенид разрушается, высвобождая вольфрам обратно в нить. Этот процесс, известный как цикл вольфрам-галоген, обеспечивает постоянный световой поток в течение всего срока службы лампы.

Для работы галогенного цикла поверхность лампы должна быть очень горячей, обычно выше 482 ° F (250 ° C). Галоген может не испаряться должным образом или не реагировать должным образом с конденсированным вольфрамом, если колба слишком холодная. Это означает, что колба должна быть меньше по размеру и изготовлена ​​либо из кварца, либо из высокопрочного и жаропрочного стекла, известного как алюмосиликат. Поскольку колба небольшая и обычно довольно прочная из-за более толстых стенок, ее можно наполнить газом под более высоким, чем обычно, давлением. Это замедляет испарение вольфрама из нити накала, увеличивая срок службы лампы.

Кроме того, небольшой размер колбы иногда делает экономичным использование более тяжелых наполняющих газов премиум-класса, таких как криптон или ксенон, которые помогают замедлить испарение вольфрама, вместо более дешевого аргона. Более высокое давление и более качественные заполняющие газы могут продлить срок службы баллона и / или обеспечить более высокую температуру нити накала, что приводит к повышению эффективности. Любое использование заполняющих газов высшего качества также приводит к тому, что заполняющий газ отводит меньше тепла от нити накала. Это приводит к тому, что больше энергии покидает нить за счет излучения, что немного повышает эффективность.

Таким образом, галогенные лампы излучают более белый и яркий свет, потребляют меньше энергии и служат дольше, чем стандартные лампы накаливания той же мощности. Их срок службы составляет от 2000 до 4000 часов (примерно от двух до четырех лет) по сравнению с обычными лампами накаливания, которые работают только 750–1500 часов или три часа в день в течение примерно года. Однако галогенные лампы стоят дороже.

Большинство галогенных ламп имеют мощность от 20 до 2000 Вт. Типы низкого напряжения варьируются от 4 до 150 Вт. Некоторые галогенные лампы также имеют специальное отражающее инфракрасное излучение покрытие на внешней стороне колбы, чтобы излучаемое тепло, которое в противном случае теряется, отражается обратно к нити накала лампы. Нить накала горит сильнее, поэтому требуется меньшая мощность. Эти лампы могут прослужить до 4000 часов.

Хотя вольфрамовые галогенные лампы более эффективны, чем другие большие лампы накаливания, они неэффективны по сравнению с люминесцентными и газоразрядными лампами высокой интенсивности (HID). Галогенные лампы также могут представлять угрозу безопасности, так как выделяемое тепло может находиться в диапазоне 250–900 ° F (121–482 ° C).

История

Масляные лампы со стеклянными трубами были предшественниками электрических ламп. Газовые лампы тоже были обычным явлением, но имели очевидные недостатки. В начале девятнадцатого века была разработана лампа, в которой использовалась электрически нагреваемая проволока (платина). Более эффективные лампы стали возможны благодаря использованию различных материалов накаливания. В 1860 году английский изобретатель по имени Суон продемонстрировал лампу с угольной нитью. И он, и Томас Эдисон наконец улучшили эту лампу для практического использования примерно в 1878 году. Эдисон установил первую успешную систему электрического освещения в 1880 году.

Позже эти углеродные волокна были заменены танталовыми, а затем вольфрамовыми, которые испаряются медленнее, чем углерод. После того, как процесс волочения вольфрамовой проволоки был усовершенствован, в 1911 году были представлены первые лампы с вольфрамовой нитью накаливания. Это были вакуумные лампы. В 1913 году General Electric Corporation представила вольфрамовые лампы накаливания, использующие инертный газ и спиральные нити. Шесть лет спустя годовое производство лампочек в США превысило 200 миллионов. Сегодня почти все электрические лампы накаливания изготавливаются с вольфрамовой нитью.

Вольфрам-галогенный цикл, используемый в галогенных лампах, был впервые разработан и испытан 40 лет назад. Некоторые из первых коммерческих галогенных ламп были представлены в 1959 году. С тех пор их применяли в студийном освещении, проекционных лампах и автомобильных фарах. Последнее привело к появлению другого типа стекла, называемого алюмосиликатом, который впервые был использован в лампах в начале 1970-х годов. Более низкая температура размягчения или рабочая температура этих стекол позволила быстро автоматизировать производство галогенных ламп.

Производство лампочек возникло в начале двадцатого века, когда электроэнергия стала доступной для широкой публики. К началу 1980-х годов около 70 американских компаний продавали лампочек и трубок на сумму более 2 миллиардов долларов каждый год. В течение следующего десятилетия, из-за спада в начале 1990-х, общий рынок луковиц вырос только до 2,9 миллиарда долларов. В 1994 году рынок достиг почти 4 миллиардов долларов, но в течение следующих нескольких лет оставался относительно стабильным.

В 1992 году Соединенные Штаты приняли Закон о национальной энергетической безопасности, предписывающий использование более эффективных ламп накаливания. Закон направлен на предотвращение продажи неэффективных люминесцентных ламп, начиная с 1994 года, и других энергоэффективных ламп к 1995 году. Он также запретил несколько типов люминесцентных ламп, некоторые лампы с отражателем накаливания и различные прожекторы. Принятие этого закона также увеличило стоимость лампочек на 4-6%.

Этот поступок, а также снижение прибылей вдохновили производителей ламп в середине 1990-х годов предложить лампы, которые могли бы снизить потребление энергии, улучшить освещение, увеличить срок службы и минимизировать воздействие на окружающую среду. Компактные люминесцентные и галогенные лампы были двух типов, которые предлагали рост. Таким образом, в период 1993-1998 годов поставки галогенов увеличивались почти на 15% в год. Общий объем рынка осветительного оборудования в США в 1998 году превысил 10 миллиардов долларов.

В середине 1997 года Совет по безопасности потребительских товаров координировал отзыв галогенных фонарей для домашнего ремонта из-за опасности возгорания, вызванной плохой конструкцией светильников и горячими лампочками. Целью отзыва было переоборудование существующих фонарей с защитной проволочной решеткой (лампы, изготовленные после отзыва, уже включали эту защиту).

Другие типы лампочек, включая галогенные, с годами совершенствуются и разрабатываются для специальных применений. Последним достижением в технологии галогенных ламп является галогенная лампа, отражающая инфракрасное излучение (ИК). Эти лампы могут обеспечивать такой же световой поток (люмен) при гораздо меньшей мощности (ватт) или, наоборот, значительно увеличенный световой поток при той же мощности, что и стандартные галогенные лампы. Только 10-15% мощности, используемой в лампах накаливания и галогенных лампах, производят видимый свет. Большая часть энергии излучается в виде тепла (инфракрасная энергия).

Эти новые лампы имеют покрытие, отражающее инфракрасное излучение, нанесенное на внешнюю поверхность капсулы лампы, которое отражает большую часть потерянной инфракрасной энергии обратно в капсулу и на вольфрамовую нить. Это перенаправлено График, показывающий разницу в мощности между галогеновыми лампами и лампами накаливания. энергия увеличивает температуру нити накала, тем самым производя больше света без дополнительной мощности. Сегодня эти лампы в основном используются в крупных магазинах для общего освещения, а также для акцентного освещения или освещения дисплеев. Недавно на балу на Таймс-сквер в канун Нового года в 1999 году было использовано 180 галогенных ламп нового поколения. Благодаря конструкции с двойной оболочкой распределение тепла в этих лампах аналогично распределению тепла у ламп накаливания.

Сырье

В зависимости от типа галогенной лампы материал колбы - кварц (плавленый кварц) или алюмосиликатное стекло. Кварцевое стекло имеет соответствующую термостойкость для цикла вольфрам-галоген, при котором температура колбы достигает 1,652 ° F (900 ° C). Для ламп малой мощности примерно до 120 Вт можно использовать алюмосиликатное стекло. Стекло бывает либо в виде цилиндрических трубок, которые предварительно нарезаются на нужную длину, либо нарезаны на нужную длину производителем лампы.

Вольфрам используется для нити накаливания. Вольфрам получают в форме проволоки, которая изготавливается с использованием легирования (добавление небольшого количества других материалов) и процесса термообработки. Легирующие добавки придают пластичность, необходимую для переработки вольфрама в катушки, и помогают предотвратить деформацию во время работы. Молибден, используемый для герметизации, получают в виде фольги и проволоки на катушках. Основания из керамики, стекла или металла изготавливаются заводским способом.

Газы, используемые при производстве, включают аргон, азот, криптон, ксенон, бром, водород, кислород и природный газ или пропан. Большинство этих газов поставляется в резервуарах или баллонах, некоторые в жидкой форме. Естественный газ поступает от газовой компании.

Дизайн

Электрические свойства лампы определяются размерами, формой или геометрией нити накала. Чем выше рабочее напряжение, тем длиннее должен быть провод. Для более высоких мощностей требуется более толстый провод. Нить накала наматывается в виде катушки разной конфигурации в зависимости от области применения лампы.

Наиболее распространены конфигурации с круглым сердечником, плоским сердечником и двойной нитью накала. В особых случаях используются другие конфигурации:модулированные (для максимальной эффективности генерации света) и сегментированные (для равномерного распределения света). Нити также ориентированы двумя способами:осевым или поперечным. В двухцокольных цилиндрических лампах ориентация всегда аксиальная. В одноцокольных лампах ориентация определяется применением.

Производственный процесс

Некоторые компоненты лампы производятся в разных местах и ​​отправляются на завод, где происходит окончательная сборка. Степень автоматизации производства зависит от области применения лампы, объема продаж и отпускной цены. Будет обсужден процесс изготовления одноцокольных кварцевых галогенных ламп.

Изготовление катушки

• 1 Поскольку тонкий прямой провод имеет плохие характеристики излучения и его трудно вставить в колбу лампы, провод наматывают в форме катушки с помощью автоматических машин, которые напоминают высокоскоростные катушки. Чтобы сделать нить с круглым сердечником, каждый виток укладывается по спирали рядом с другим на цилиндрическом стержне. Прямоугольный стержень используется для нити с плоским сердечником. В случае двойной нити накала проволока сначала наматывается на очень тонкую первичную обмотку, а затем она еще раз наматывается на второй, более толстый сердечник. Таким образом, большое количество проволоки может уместиться в очень маленьком пространстве.

  Галогенная лампа сделана из плавленого кварца и заполнена теми же инертными газами, что и лампы накаливания, с небольшим количеством галогеновый газ. Галоген реагирует с отложениями вольфрама с образованием галогенидов вольфрама, которые разрушаются, когда достигают горячей нити. В результате пробоя вольфрам возвращается обратно в нить накала - известный как цикл вольфрам-галоген - и поддерживает постоянный световой поток в течение всего срока службы лампы.

Формируем лампочку

• 2 После того, как стеклянная трубка будет отрезана до нужной длины, к верхней части необходимо прикрепить выхлопную трубку. Сначала верх трубы нагревается с помощью газового / кислородного пламени. Круг из карбида вольфрама складывает размягченное стекло, образуя куполообразную форму с небольшим отверстием.
• 3 Стеклянная трубка меньшего размера, называемая выхлопной трубой, помещается в отверстие и соединяется с большей трубкой путем плавления. Эта трубка небольшого диаметра используется как средство для вымывания воздуха из лампы во время операции герметизации, а также для откачивания воздуха и подачи наполняющего газа во время процесса выпуска. Этот процесс выполняется на специальных роторных машинах.

Изготовление крепления

• 4 Далее изготавливается крепление. Во-первых, мост изготавливается путем заделки предварительно сформованных вольфрамовых проволок в небольшой цилиндрический кварцевый стержень. Нить накала приваривается к этим опорным проводам и приваривается к узлу внешнего вывода, состоящему из молибденовых уплотнительных пленок и внешних выводов.
• 5 Готовая подставка проходит через водородную печь при температуре 1,925 ° F (1050 ° C) для очистки. Этот процесс удаляет любые оксиды, которые могут повредить вольфрамовую нить во время работы лампы.

Уплотнение

• 6 Устройство, называемое прессовым уплотнением, используется для герметичного закрытия держателя внутри колбы. Крепление вставляется в лампочку, и обе части надежно удерживаются. Затем нижняя часть колбы нагревается примерно до 3 272 ° F (1800 ° C) с помощью газовых / кислородных горелок для размягчения кварца. Подушечки пресса из нержавеющей стали, работающие при давлении 20-60 фунтов на квадратный дюйм, прижимают кварц к молибденовой фольге, образуя герметичное уплотнение. Во время этой операции колба промывается инертным газом (азотом или аргоном) для удаления воздуха и предотвращения окисления опоры. Наружные выводы выступают из конца пресса и обеспечивают средство для электрического соединения лампы с цоколем лампы.

Вакуумирование и наполнение сжатой груши

• 7 Запрессованная колба наполняется газообразным галогеном на выхлопной машине. В этой машине используются вакуумные насосы для откачивания воздуха из баллона и система наполнения для подачи газовой смеси галогена в баллон через выхлопную трубу. Высокое внутреннее давление в лампе достигается сначала за счет заполнения лампы при давлении выше атмосферного, а затем путем распыления или погружения баллона в жидкий азот, который охлаждает и конденсирует заполняющий газ при давлении ниже атмосферного. Газ / кислород загорается, а затем расплавляет выхлопную трубу в верхней части баллона, образуя наконечник и удерживая газ в баллоне. Газ расширяется по мере того, как он нагревается до температуры окружающей среды, в результате чего возникает лампа под давлением.

Прикрепление основания

• 8 Цоколь лампы обеспечивает электрическое подключение и монтаж. Геометрия определяется национальными и международными стандартами. Есть несколько разных типов оснований. Для одноцокольных ламп используются стеклянные, керамические или металлические цоколи. Обычно они прикрепляются к стеклянной колбе с помощью специального цемента, обладающего хорошей устойчивостью к высоким температурам, влаге и термическим нагрузкам, или прикрепляются механически. Для специальных применений используется соединение без цемента.

Упаковка

• 9 После окончательного тестирования лампы вручную или автоматически упаковываются в коробки, в зависимости от области применения. Светильники, продаваемые в розничные магазины, упаковываются индивидуально.

Контроль качества

Испытание давлением (при 40-100 атмосфер в зависимости от давления заполнения) проводится после процесса прессования / уплотнения, чтобы гарантировать, что лампа не лопнет во время работы. Обычно отбирается случайная выборка, хотя некоторые лампы проходят 100% тестирование. После заполнения лампы проверяют на герметичность, помещая их на роторную машину и зажигая на несколько минут. В случае серьезной утечки лампа станет бело-желтой. Если есть какие-либо серьезные механические дефекты, лампа обычно перегорает. Случайная выборка из каждой партии также проверяется, чтобы убедиться в соблюдении всех характеристик (мощность, температура, светоотдача и срок службы).

Побочные продукты / отходы

Неисправный кварц утилизируется или перерабатывается. Иногда выхлопные трубы используются повторно. Отработанный вольфрам утилизируется и продается как лом. Завершенные лампы, не прошедшие тестирование, выбрасываются. Однако производители ламп продолжают использовать более экологически чистые материалы, чтобы сократить количество не подлежащих переработке отходов.

Некоторые галогенные лампы сделаны со свинцовыми припоями в основании лампы. Поскольку свинец является высокотоксичным материалом, продукты, содержащие свинец, должны проходить TCLP (процедура определения токсичности) Агентства по охране окружающей среды. В противном случае их следует классифицировать как опасные отходы и соблюдать особые правила утилизации в некоторых штатах. Некоторые производители ламп избегают этой проблемы, используя бессвинцовый припой.

Будущее

Прогнозируется, что поставки вольфрамовых галогенных ламп будут увеличиваться на 7,7% в год до 58 миллионов единиц в 2003 году, опережая поставки ламп накаливания. Это отражает растущее распространение галогенов в жилых и коммерческих помещениях, таких как дорожное и встраиваемое освещение, настольные и торшеры, а также другое общее и рабочее освещение.

Несмотря на все более широкое использование галогенных ламп в ряде приложений, единичные поставки значительно замедлились по сравнению с темпами середины 1990-х годов из-за увеличения импорта из таких стран, как Китай, Южная Корея, Тайвань, Япония, Филиппины, Мексика, Германия, и Венгрия. Помимо конкуренции со стороны импорта, падению цен на единицу продукции будут способствовать и другие факторы, что ограничит прирост стоимости поставок от 5,3% в год до 180 миллионов долларов в 2003 году. В попытке захватить долю рынка некоторые производители будут ограничивать рост цен. Кроме того, более низкая экономия на масштабе и технология производства помогут снизить цены за единицу продукции.

Производители галогенных ламп также продолжат разработку ламп с превосходными световыми характеристиками, большей эффективностью и увеличенным сроком службы, которые стоят меньше. Новые и улучшенные конструкции будут предлагаться для удовлетворения потребностей специальных приложений. Лампы по-прежнему будут производиться более экологически безопасными, а производственные процессы - более эффективными для сокращения количества отходов.

Ожидается, что к концу века мировой рынок осветительной продукции достигнет 28 миллиардов долларов. Ожидается, что Соединенные Штаты увеличат свою долю на этом рынке сверх нынешних 30%. Американские компании по производству ламп и ламп также расширяют свою деятельность за рубежом, создавая совместные предприятия или приобретая предприятия. Ожидается, что к 2005 году рынок осветительного оборудования в Северной Америке превысит 15 миллиардов долларов.

Лампы накаливания останутся доминирующими на рынке Соединенных Штатов, на них будет приходиться более 80% продаж штучных изделий и более 50% рыночной стоимости, исходя из их значительного использования на крупных рынках бытового и транспортного оборудования. Из-за зрелости рынка ламп накаливания, конкуренции со стороны других типов ламп и замедления роста в жилищном и автомобильном секторах рост спроса на лампы накаливания будет отставать от средних показателей по отрасли.