Галогенні лампи - електричне освітлювальне пристрій, принцип дії приладу в порівнянні з простою лампою розжарювання доповнюється введенням в колбу галогенідів для збільшення терміну служби і збереження вироби в первозданному вигляді на тривалий термін.
Історія створення галогенних ламп
Історія тісно пов'язана з лампами розжарювання, відсилаємо читачів до відповідного огляду для докладного ознайомлення з історією винаходу. Тут обговоримо лише, що першим виявив свічення провідників на зразку платинового дроту сер Хампфрі Деві. У підвалі Королівського інституту стояв джерело живлення з двох тисяч осередків, що зумів нагріти відріз до температури вище 550 градусів Цельсія, при якій тіла в земних умовах починають світитися. Ефект не протривав довго, але поклав початок тривалої епопеї пошуку застосування його в якості корисної заходи для потреб людства.
Хампфрі Деві
У російській практиці історію створення ламп розжарювання починають з 1872 року, коли наш земляк Лодигін створив власний зразок. Досягнення інших чоловіків науки завбачливо забули. Автори схильні вести відлік від 1882, коли Едвін Скрібнер вперше здогадався ввести слабку атмосферу хлору в вугільну лампу замість вакууму. Цим значною мірою блокувалося почорніння колби. У тексті патенту винаходу дається неправильне тлумачення: нібито хлор утворює прозору плівку, яка усуває відомий дефект.
Насправді сполуки галогенів добре дисоціюють, випарувалися з поверхні спіралі молекули поступово повертаються на колишнє місце, усуваючи чорний наліт на колбі. Патент US254780 A сьогодні вважається першою пташкою, передвістя прихід галогенних ламп. Ідея довго не знаходила практичного застосування. А в атмосфері колби використовують інертні гази, наприклад, азот в екземплярі Лодигіна. Заслуга вченого - здогадався замінити вакуум, який робив конструкцію тендітної, а технологію виготовлення складної.
Забуте істориками ім'я - Джордж Мейкл. Текст патенту US1267888 A пропонує в середу інертного газу лампового діода додати йод. Відбувається ряд позитивних ефектів: знижуються паразитні втрати напруги в дузі до 11-12 В (зазвичай від 16 до 20 В), робота стає постійною. У наявності перше використання інших галогенів, крім хлору, в атмосфері лампи розжарення. Хоча мова йде про випрямному пристрої. До іншого, вакуумна лампа розжарювання не працювала понад 1000 годин, пристрій складно виготовлялося. Лодигін в практичних цілях застосував азот, використовувалися благородні гази (аргон та ін.).
Лодигін
Ключовим вважають 1923 рік відкриття регенеративного циклу в атмосфері галогенідів лужних металів. Показано, що випарувалися з нитки молекули вольфраму повертаються поступово назад. У тексті патенту йдеться про якусь прозорою плівці, утвореною галогеном. Видно, що автори спиралися на ідеї Едвіна Скрібнер. Це стало відправним кроком для подальшого розвитку технології галогенних ламп. Йоханнес Антоніус Маріа ван Лімпт експериментував зі вирощуванням кристалів. Це тим похвальнее, що напівпровідникова техніка зародилася пізніше, але, вивчаючи дифузію і осадження домішок з газів, вчений відкрив корисні якості галогенів: йоду, брому, хлору. За допомогою зазначених з'єднань вдавалося відновлювати вольфрамові (або вугільні) спіралі, напилювати метал тонким шаром на поверхні деталей.
У патенті СРСР під номером 7415 від 13 січня 1929 року говориться про методики створення довговічних вольфрамових ниток. З цією метою додавали до вихідного порошку металу від 0,1 до 3% оксиду гафнію. Вчені йшли до збільшення терміну служби ламп розжарювання різними шляхами. Аналогічним чином Нойнхоффер і Шульц отримують в 1949 році патент на лампу розжарювання, заповнену галогенидами вольфраму або ренію. Це сприяє регенерації нитки. Про патент мало відомо, результат дії галогенідів виявився нетривалим.
В ході теоретичних вигадок припущено, що з'єднання невідомим чином взаємодіють з вольфрамом та іншими металами, що містяться всередині колби. І коли космічної промисловості США потрібен був потужний джерело випромінювання, що імітує Сонце, вченим довелося згадати про регенеративної вольфрамовому циклі і колишніх напрацювань. Карбонові лампи сьогодні славляться нагріванні не повітря, а предметів. Причина зрозуміла - енергія переноситься переважно випромінюванням. Для створення великої щільності потужності вольфрамова спіраль звивається тонкою ниткою. Відомі конструкції з подвійною ниткою.
Лампа з галогенидами
Кварцові лампи: перші кроки
3 березня 1958 року інженери Дженерал Електрик, Фрідріх Елмер і Вайли Еметт, подали патент на нагрівальну лампу, де спіраль захищалася середовищем галогенида. У тексті говорилося, що при тривалій роботі колба типових моделей поступово покривається темним нальотом. Щоб мінімізувати ефект, розмір кулястої частини прагнули підвищити. Наліт розподіляється на більшій площі і менш помітний. Робилися інші спроби вирішити задачу:
- Використання важких парів криптону, ксенону, ртуті. В останньому випадку застосовувалося додатково тиск вище атмосферного.
- Застосування нейтральних газів: аргону і азоту.
Заходи не направили ситуацію повністю. Вчені пропонують використовувати для регенерації нитки (і очищення колби) пари йоду. В результаті виріб для космічної промисловості, чорніли за 10 хв, вже служило 2000 годин. Ідея не нова, в тексті патенту говориться, що запропоновані раніше рішення не мали комерційного успіху. Така своєрідна логіка.
Відчуваючи власну хитке становище, дослідники продовжують обгрунтування, кажучи, що лампа діаметром від 0,08 до 0,5 дюйма здатна використовуватися для обігріву та освітлення. На той момент не існувало поняття рефлектор в побутових приладах, ретельно обговорюється передбачуване відстань до стіни, щоб уникнути загоряння. Згідно з даними експериментів йод продовжує виконувати регенеративную функцію в межах температур до 250 градусів Цельсія, робота порушується при 1200. Колбу краще зробити з кварцу. Пропонується матеріал Vycor, що містить до 96% кремнезему (діоксид кремнію).
кварцова лампа
Концентрація йоду - не менше 0,01 мкмоль на кубічний сантиметр. Верхню межу визначає прозорість атмосфери колби. Дослідним шляхом отримано максимально можливе парціальний тиск парів йоду в 5 мм.рт.ст (відповідає 1 мкмоль / куб.см). При вертикальній експлуатації довгою колби можливо розшарування середовища, але, як правило, концентрації речовин вистачає. Деяку цінність представили зауваження по неприпустимість використання інших газів:
- Хлор руйнує супорти нитки і викликає зростання шипів на вольфрамі в крайніх областях.
- Бром менш руйнівний, ніж хлор, фтор не підходить зовсім.
- Використання парів ртуті або азоту сприяє почорніння колби.
Для рівномірного осідання вольфраму на нитку рекомендується підтримувати парціальний тиск інертного газу в районі 600 мм.рт.ст. В результаті вчені отримали прилад з потужністю випромінювання 100 Вт / дюйм довжини при щільності потужності 24 Вт на квадратний сантиметр колби. Параметри допустимо варіювати в широких межах. При температурі нитки 2500 градусів Цельсія, ефективність приладу на 30% вище, ніж у стандартних ламп на 500 Вт при аналогічному терміні служби в 1000 годин.
При виробництві ниток напруження використовується процес відпалу на сталевий оправці. В ході обробки ретельно потрібно контролювати рівень заліза, диффундирующего на спіраль, шляхом підтримки відповідної температури в печі. При подальшій експлуатації атоми домішки порівняно легко випаровуються і пов'язують галоген. До того ж утворюється незруйновний наліт на стінках колби.
Попутно відзначається бажаність мінімізації кількості супортів. У місцях кріплення температура трохи нижче, вольфрам осідає гірше. У сучасних кварцових ламп іноді обходиться без супортів. Власник аерогрилю переконається, якщо попрацювати підняти кришку і заглянути під неї.
Тим часом вироби показували ряд недоліків: висока температура, відсутність рефлектора. Метал супортів повинен бути стійкий до дії йоду, значить, мідь в корені не підходить для необхідних цілей - потрібні вольфрам, молібден або платина. Аналогічне відноситься до прилеглих проводам. Вони гріються до високої температури. У сучасних ламп скло на кінцях пережимається повністю, з середовищем контактує лише вольфрам. У патенті винахідникам вдалося зібрати властивості нагрівального і освітлювального приладу. Радянська розвідка не дрімала, і в новому 1960-му році галогенні лампи КІ 220-1000 з'явилися в СРСР.
Конструкція галогенних ламп
У нагрівальних приладах вольфрамова спіраль часто стосується скла - місцями. Вигнута не Кола, а трикутником, причому кожен виток власного розміру, і лише окремі стосуються колби, причому в порівняно невеликій кількості точок. Це допомагає уникнути зайвого нагріву скла. В аерогрилі колба постійно обдувається вентилятором, що не дає їй розігрітися вище 600-700 градусів. Спіраль працює при більш жорстких режимах. З кубічної кристалічною решіткою вольфрам тугоплавкий. Температура ликвидуса знаходиться в точці 3653 К. Робочий режим не перевищує 90% від вказаного значення.
Пристрій галогенною лампи
Настільки високі температури вдалося досягти завдяки використанню галогенів. У вакуумі випаровування з поверхні спіралі стало б надто сильним. Кварцові скло вибирається для виготовлення колби за фізичні властивості. У матеріалу широке вікно для пропускання випромінювання, отже, поверхня гріється порівняно слабо. Кварц володіє низьким коефіцієнтом температурного розширення і відмінно тримає термоудар.
Незважаючи на те, що окис кремнію вважається найпоширенішим на планеті мінералом (кремній по вазі складає 26% від земної кори), в чистому вигляді майже не зустрічається, а входить до складу агату, раухтопазу, цитрину, аметисту, яшми, гірського кришталю, річкового піску і ряду інших природних утворень: граніт, грейс, сланець, різних силікату. І недарма в патенті згадувався кремнезем. Складність полягає у виділенні з породи необхідного компонента. Відомо кілька стійких модифікацій кварцу:
- Звичайний у професіоналів носить ім'я грецької букви бета і представляє великі прозорі кристали. Вважається, що в нормальних умовах стійкий нижче температури 573 градусів Цельсія.
- Подолавши вказаний температурний поріг кварц переходить в модифікацію альфа. І залишається тут до 870 градусів Цельсія.
- При подальшому підвищенні температури утворюється тридимит (потрійні кристали). І так до 1470 градусів Цельсія.
- Наступною стійкою модифікацією до температури 1710 градусів Цельсія вважається кристобалит.
- Вище за шкалою оксид кремнію присутня у вигляді розплаву.
Можливий технологічний процес охолодження кварцу без утворення кристалів. Аморфна форма використовується для створення скла. Конфігурація кристалів залежить від:
- Швидкості кристалізації.
- В'язкості рідкої фази.
- Наявність домішок.
- Просторового розташування об'єкта.