Галогенная лампа

Галогенная лампа – электрическое осветительное устройство, принцип действия прибора в сравнении с простой лампой накаливания дополняется введением в колбу галогенидов для увеличения срока службы и сохранения изделия в первозданном виде на продолжительный срок.

История создания галогенных ламп

История тесно связана с лампами накаливания, отсылаем читателей к соответствующему обзору для подробного ознакомления с историей изобретения. Здесь оговорим лишь, что первым обнаружил свечение проводников на образце платиновой проволоки сэр Хампфри Дэви. В подвале Королевского института стоял источник питания из двух тысяч ячеек, сумевший нагреть отрез до температуры выше 550 градусов Цельсия, при которой тела в земных условиях начинают светиться. Эффект не продлился долго, но положил начало длительной эпопее поиска применения его в качестве полезной меры для нужд человечества.

Хампфри Дэви

В российской практике историю создания ламп накаливания начинают с 1872 года, когда наш земляк Лодыгин создал собственный образец. Достижения прочих мужей науки предусмотрительно забыли. Авторы склонны вести отсчёт от 1882 года, когда Эдвин Скрибнер впервые догадался ввести слабую атмосферу хлора в угольную лампу вместо вакуума. Этим в значительной мере блокировалось почернение колбы. В тексте патента изобретению даётся неправильное толкование: якобы хлор образует прозрачную плёнку, устраняющую известный дефект.

В действительности соединения галогенов хорошо диссоциируют, испарившиеся с поверхности спирали молекулы постепенно возвращаются на прежнее место, устраняя чёрный налёт на колбе. Патент US254780 A сегодня считается первой пташкой, предвестившей приход галогенных ламп. Идея долго не находила практического применения. А в атмосфере колбы используют инертные газы, к примеру, азот в экземпляре Лодыгина. Заслуга учёного – догадался заменить вакуум, делавший конструкцию хрупкой, а технологию изготовления сложной.

Забытое историками имя – Джордж Мейкл. Текст патента US1267888 A предлагает в среду инертного газа лампового диода добавить йод. Происходит ряд положительных эффектов: снижаются паразитные потери напряжения в дуге до 11-12 В (обычно от 16 до 20 В), работа становится постоянной. Налицо первое использование прочих галогенов, помимо хлора, в атмосфере лампы накала. Хотя речь идёт о выпрямительном устройстве. К прочему, вакуумная лампа накала не работала свыше 1000 часов, устройство сложно изготавливалось. Лодыгин в практических целях применил азот, использовались благородные газы (аргон и пр.).

Лодыгин

Ключевым считают 1923 год открытия регенеративного цикла в атмосфере галогенидов щелочных металлов. Показано, что испарившиеся с нити молекулы вольфрама возвращаются постепенно назад. В тексте патента говорится о некой прозрачной плёнке, образуемой галогеном. Видно, что авторы опирались на идеи Эдвина Скрибнера. Это стало отправным шагом для дальнейшего развития технологии галогенных ламп. Йоханнес Антониус Мариа ван Лимпт занимался экспериментами с выращиванием кристаллов. Это тем похвальнее, что полупроводниковая техника зародилась позднее, но, изучая диффузию и осаждение примесей из газов, учёный открыл полезные качества галогенов: йода, брома, хлора. При помощи указанных соединений удавалось восстанавливать вольфрамовые (или угольные) спирали, напылять металл тонким слоем на поверхности деталей.

В патенте СССР под номером 7415 от 13 января 1929 года говорится о методиках создания долговечных вольфрамовых нитей. С этой целью добавляли к исходному порошку металла от 0,1 до 3% оксида гафния. Учёные шли к увеличению срока службы ламп накаливания разными путями. Аналогичным образом Нойнхоффер и Шульц получают в 1949 году патент на лампу накаливания, заполненную галогенидами вольфрама или рения. Это способствует регенерации нити. О патенте мало известно, результат действия галогенидов оказался непродолжительным.

В ходе теоретических измышлений предположено, что соединения неизвестным образом взаимодействуют с вольфрамом и другими металлами, содержащимися внутри колбы. И когда космической промышленности США потребовался мощный источник излучения, имитирующий Солнце, учёным пришлось вспомнить о регенеративном вольфрамовом цикле и прежних наработках. Карбоновые лампы сегодня славятся нагреванием не воздуха, а предметов. Причина понятна – энергия переносится преимущественно излучением. Для создания больших плотностей мощности вольфрамовая спираль извивается тонкой нитью. Известны конструкции с двойной нитью.

Лампа с галогенидами

Кварцевые лампы: первые шаги

3 марта 1958 года инженеры Дженерал Электрик, Фридрих Элмер и Вайли Эмметт, подали патент на нагревательную лампу, где спираль защищалась средой галогенида. В тексте говорилось, что при длительной работе колба типичных моделей постепенно покрывается темным налётом. Чтобы минимизировать эффект, размер шарообразной части стремились повысить. Налёт распределяется на большей площади и менее заметен. Предпринимались иные попытки решить задачу:

1. Использования тяжёлых паров криптона, ксенона, ртути. В последнем случае применялось дополнительно давление выше атмосферного.
2. Применение нейтральных газов: аргона и азота.

Меры не исправляли ситуацию полностью. Учёные предлагают использовать для регенерации нити (и очистки колбы) пары йода. В результате изделие для космической промышленности, черневшее за 10 мин, уже служило 2000 часов. Идея не нова, в тексте патента говорится, что предложенные ранее решения не имели коммерческого успеха. Такая своеобразная логика.

Чувствуя собственное шаткое положение, исследователи продолжают обоснование, говоря, что лампа диаметром от 0,08 до 0,5 дюйма способна использоваться для обогрева и освещения. На тот момент не существовало понятия рефлектор в бытовых приборах, тщательно оговаривается предполагаемое расстояние до стены во избежание возгорания. Согласно данным экспериментов йод продолжает выполнять регенеративную функцию в пределах температур до 250 градусов Цельсия, работа нарушается при 1200. Колбу лучше сделать из кварца. Предлагается материал Vycor, содержащий до 96% кремнезёма (диоксид кремния).

Кварцевая лампа

Концентрация йода – не менее 0,01 мкмоль на кубический сантиметр. Верхнюю границу определяет прозрачность атмосферы колбы. Опытным путём получено максимально возможное парциальное давление паров йода в 5 мм.рт.ст (соответствует 1 мкмоль/куб.см). При вертикальной эксплуатации длинной колбы возможно расслоение среды, но, как правило, концентрации веществ хватает. Некоторую ценность представили замечания по недопустимости использования прочих газов:

• Хлор разрушает суппорты нити и вызывает рост шипов на вольфраме в крайних областях.
• Бром менее разрушителен, нежели хлор, фтор не подходит вовсе.
• Использование паров ртути или азота способствует почернению колбы.

Для равномерного оседания вольфрама на нить рекомендуется поддерживать парциальное давление инертного газа в районе 600 мм.рт.ст. В результате учёные получили прибор с мощностью излучения 100 Вт/дюйм длины при плотности мощности 24 Вт на квадратный сантиметр колбы. Параметры допустимо варьировать в широких пределах. При температуре нити 2500 градусов Цельсия, эффективность прибора на 30% выше, нежели у стандартных ламп на 500 Вт при аналогичном сроке службы в 1000 часов.

При производстве нитей накала используется процесс отжига на стальной оправке. В ходе обработки тщательно требуется контролировать уровень железа, диффундирующего на спираль, путём поддержания соответствующей температуры в печи. При дальнейшей эксплуатации атомы примеси сравнительно легко испаряются и связывают галоген. Вдобавок образуется неразрушимый налёт на стенках колбы.

Попутно отмечается желательность минимизации количества суппортов. В местах крепления температура чуть ниже, вольфрам оседает хуже. У современных кварцевых ламп иной раз обходится без суппортов. Владелец аэрогриля убедится, если потрудится поднять крышку и заглянуть под неё.

Между тем изделия показывали ряд недостатков: высокая температура, отсутствие рефлектора. Металл суппортов должен быть устойчив к действию йода, значит, медь в корне не подходит для требуемых целей – нужны вольфрам, молибден или платина. Аналогичное относится к прилегающим проводам. Они греются до высокой температуры. У современных ламп стекло на концах пережимается полностью, со средой контактирует лишь вольфрам. В патенте изобретателям удалось собрать свойства нагревательного и осветительного прибора. Советская разведка не дремала, и в наступившем 1960-м году галогенные лампы КИ 220-1000 появились в СССР.

Конструкция галогенных ламп

В нагревательных приборах вольфрамовая спираль часто касается стекла – местами. Изогнута не кругом, а треугольником, причём каждый виток собственного размера, и лишь отдельные касаются колбы, причём в сравнительно небольшом количестве точек. Это помогает избежать излишнего нагрева стекла. В аэрогриле колба постоянно обдувается вентилятором, что не даёт ей разогреться выше 600-700 градусов. Спираль работает при более жёстких режимах. С кубической кристаллической решёткой вольфрам тугоплавкий. Температура ликвидуса находится в точке 3653 К. Рабочий режим не превышает 90% от указанного значения.

Устройство галогенной лампы

Столь высокие температуры удалось достичь благодаря использованию галогенов. В вакууме испарение с поверхности спирали стало бы слишком сильным. Кварцевое стекло выбирается для изготовления колбы за физические свойства. У материала широкое окно для пропускания излучения, следовательно, поверхность греется сравнительно слабо. Кварц обладает низким коэффициентом температурного расширения и отлично держит термоудар.

Несмотря на то, что окись кремния считается самым распространённым на планете минералом (кремний по весу составляет 26% от земной коры), в чистом виде почти не встречается, а входит в состав агата, раухтопаза, цитрина, аметиста, яшмы, горного хрусталя, речного песка и ряда прочих природных образований: гранит, грейс, сланец, различных силикатах. И недаром в патенте упоминался кремнезём. Сложность заключается в выделении из породы требуемого компонента. Известно несколько устойчивых модификаций кварца:

1. Обыкновенный у профессионалов носит имя греческой буквы бета и представляет крупные прозрачные кристаллы. Считается, что в нормальных условиях устойчив ниже температуры 573 градуса Цельсия.
2. Преодолев указанный температурный порог кварц переходит в модификацию альфа. И остаётся здесь до 870 градусов Цельсия.
3. При дальнейшем повышении температуры образуется тридимит (тройные кристаллы). И так до 1470 градусов Цельсия.
4. Следующей устойчивой модификацией до температуры 1710 градусов Цельсия считается кристобалит.
5. Выше по шкале оксид кремния присутствует в виде расплава.

Возможен технологический процесс охлаждения кварца без образования кристаллов. Аморфная форма используется для создания стекла. Конфигурация кристаллов зависит от:

• Скорости кристаллизации.
• Вязкости жидкой фазы.
• Наличия примесей.
• Пространственного расположения объекта.