Az alapvető világítási anyagok áttekintése
A modern világítástechnika fejlődése elválaszthatatlan az alapvető világítóanyagok fejlődésétől és innovációjától. A kezdeti hagyományos anyagoktól a ma széles körben használt új anyagokig a világítóanyagok tudományos alkalmazása jelentősen javította a lámpatestek teljesítményét és élettartamát. Ezek az anyagok kiváló tulajdonságokat mutatnak különböző hőmérsékletek és üzemi körülmények között, ami a világítástechnika fejlődésének kulcsfontosságú hajtóerejét jelenti.
▣ Anyagosztályozás
▣ Töltőanyagok és tömítőanyagok
A hagyományos alacsony hőmérsékletű régiókban (<140℃) széles körben használnak hagyományos anyagokat, például indigógyantákat, neoprén gumit, EPDM habszivacsot és fröccsöntött poliuretán habot. A magas hőmérsékletű régiókban (>200℃) azonban extrudált, öntött vagy vágott szilikongyantákat kell használni. Az elmúlt években a fröccsöntött reakciós módszerek váltak a legújabb innovációvá, lehetővé téve a varratmentes, kiváló minőségű tömítéseket. Különböző hőmérsékleti tartományokban hagyományos és új töltőanyagokat használnak mechanikai csatlakozások és tömítések biztosítására.
A lámpa élettartama alatt a lámpafej gittjének megbízható mechanikai kapcsolatot kell biztosítania a különböző hőtágulási együtthatók és a különböző lámpaanyagok között. A fém lámpafej üvegburához rögzítésére használt anyag jellemzően körülbelül 90%-ban márványpor töltőanyagból és fenol-, természetes és szilikongyantából álló keverék. A kerámia lámpafejnek az olvasztott szilícium-dioxid lámpatesthez való rögzítéséhez magasabb olvadáspontú forrasztópasztára van szükség, amelynek fő összetevője a szilícium-dioxid és szervetlen kötőanyagok, például nátrium-szilikát keveréke.
▣ Gázok A lámpákban használt elsődleges gázokat, mint a levegő alkotóelemeit, általában frakcionált desztillációval nyerik. Ezeket a gázokat nemcsak különféle fizikai és kémiai folyamatok szabályozására használják, hanem fény előállítására is. A lámpa működése során a magas hőmérsékletű környezet jelentősen fokozza számos lámpaanyag kémiai reakcióképességét, ami potenciálisan a lámpa szerkezeti anyagainak súlyos károsodásához vezethet. Ennek elkerülése érdekében a lámpa szerkezetét az oxidáció és a korrózió szabályozásával kell védeni. Gyakori módszer az inert vagy nem reaktív gázok használata a lámpa belsejében a munkakörnyezet fenntartása érdekében.
Az olyan fizikai folyamatok, mint a párolgás és a porlasztás, lerövidítik a kritikus alkatrészek, például az izzószál és az elektródák élettartamát. Amikor azonban a lámpát inert gázzal töltik meg, és a gáz sűrűsége kellően magas, ezeknek a folyamatoknak a káros hatása jelentősen csökken. Míg a nagy sűrűségű kripton egyes izzólámpákban használható a hővezetés csökkentésére és a volfrámszál párolgásának elnyomására, ezáltal meghosszabbítva a lámpa élettartamát, a gyakorlati alkalmazásokban jellemzően argont használnak töltőgázként.
A nitrogénmolekulák képesek megakadályozni a lámpán belüli különböző potenciálú alkatrészek közötti roncsoló ívek kialakulását; ezért a lámpák töltőgáza általában nitrogénből vagy nitrogén és inert gázok, argon és kripton keverékéből áll. A gázkisüléses lámpákban monomolekuláris gázokat, például argont, neont és xenont használnak segédgázként a kisülés beindításához. Ezenkívül a fémhalogenid gázok is egyedülálló szerepet játszanak a gázkisüléses fényforrásokban.
A lámpák rendkívül magas üzemi hőmérséklete miatt a lámpán belüli bizonyos kritikus alkatrészek nagyon érzékenyek az oxidáló és szénnel adalékolt gázok, például az oxigén, a szén-monoxid, a szén-dioxid, a szénhidrogének és a vízgőz nyomokban előforduló mennyiségére. A legtöbb lámpában ezeknek a káros szennyező gázoknak a tartalmát általában szigorúan szabályozzák, és a teljes töltőgáznak csak néhány ppm-e lehet.
▣ Getter anyagok
Az izzó működése során az olyan alkatrészek, mint az izzószál és az elektródák, rendkívül magas hőmérsékletet érnek el. Ezek az alkatrészek nagyon érzékenyek a környező gázokra, és könnyen reakcióba lépnek a maradék oxigénnel, vízgőzzel, hidrogénnel és szénhidrogénekkel, ezáltal befolyásolva az izzó teljesítményét. Ezért intézkedéseket kell tenni ezen maradék gázok kiküszöbölésére vagy csökkentésére. A getteranyagok fémes vagy nemfémes anyagok felhasználásával eltávolítják a maradék gázokat az izzóból, fenntartva az izzó teljesítményét.
A getter egy olyan anyag, amelyet kifejezetten a szennyeződések eltávolítására terveztek az izzó héjából vagy csőéből a lezárás után. A getter anyagokat általában két típusba sorolják: párologtató getter anyagokba és volumetrikus getter anyagokba. A párologtató getter anyagokat vákuumos eszközök lezárása után használják. Úgy működnek, hogy gyorsan felmelegítenek vagy azonnal elpárologtatnak egy aktív fémet, amely vékony lerakódásként vagy filmként jelenik meg a kiválasztott alkatrészeken a gáz eltávolítása érdekében. A volumetrikus getter anyagokat ezzel szemben gyakran fémhuzalok, szerkezeti elemek vagy félig laza lerakódások formájában helyezik el az izzó belsejében. Elnyelik a gázokat, amikor a hőmérséklet emelkedik, és az izzó teljes élettartama alatt hatékonyak maradnak.
A gyakran használt getterfémek közé tartozik a bárium, a tantál, a titán, a nióbium, a cirkónium és ötvözeteik. Ezenkívül a foszfor, egy nemfémes gázeltávolító szer, hatékonyan eltávolítja az oxigén és a vízgőz nyomait az izzóban lévő inert gázból, ezért régóta széles körben használják.
▣ Üveg és kvarcüveg
A kereskedelmi forgalomban kapható üveg három fő kategóriába sorolható: nátrium-kalcium-szilikát, ólom-alkáli-szilikát és boroszilikát. A nátrium-kalcium-szilikát üveg a leggyakrabban használt üveg a világítástechnikában. Az üvegtípus megválasztása a hőmérsékleti követelményektől, a légmentesség megőrzésétől és az elektromos teljesítménytől függ.
Az ólom-alkáli-szilikát üveget főként hagyományos izzók és fénycsövek belső alkatrészeinek gyártásához használják. A hagyományos spotlámpákhoz és a magasabb üzemi hőmérsékletű nagy teljesítményű kisülőlámpákhoz boroszilikát üveg szükséges. A kvarcüveg nagy átlátszósággal, kiváló hősokk-állósággal rendelkezik, és ellenáll a magas hőmérsékletű környezetnek, akár 900 Celsius-fokos üzemi hőmérséklettel is.
A légmentesség kulcsfontosságú mutató a lámpák üveganyagainak kiválasztásakor. Az üvegnek feszültségmentesen kell záródnia a fémekkel, hogy biztosítsa az izzó légmentességét és hosszú távú stabilitását. Továbbá az üveg ellenállásának, dielektromos állandójának és dielektromos veszteségének meg kell felelnie a megfelelő szabványoknak az elektromos teljesítménykövetelmények teljesítése érdekében.
▣ Kerámia anyagok
Magas hőmérsékletű és nagy nyomású környezetben a szilícium-dioxid-tartalmú üveg könnyen korrodálódik az alkálifémek gőzei által, ezért olyan anyagokra van szükség, amelyek ellenállnak a kémiai korróziónak. A kerámiákat magas hőmérséklet- és korrózióállóságuk, nagy mechanikai szilárdságuk és hőstabilitással rendelkeznek.
A polikristályos, félig átlátszó alumínium-oxid (PCA) csövek kulcsfontosságú alkatrészek a nagynyomású nátriumlámpák (HPS) gyártásában. Annak ellenére, hogy mindössze 1 mm-es falvastagságuk van, a látható fény teljes áteresztőképessége meghaladja a 90%-ot. A hagyományos kerámiákat, jó mechanikai szilárdságuk, hősokk-állóságuk és kiváló elektromos szigetelésük miatt az üzemi hőmérsékleti tartományban, gyakran használják lámpafoglalatok és lámpafejek készítéséhez.
▣ Fényszabályozáshoz használt anyagok
A reflektorok kulcsfontosságú elemek a fényszabályozásban, és két típusra oszthatók: szabályos visszaverődés és tükröződő visszaverődés. A diffúz visszaverődés szintén fontos visszaverődési módszer. A fényszabályzó anyagok kiválasztásakor átfogóan figyelembe kell vennünk számos tényezőt, beleértve az anyag optikai tulajdonságait, szilárdságát, szívósságát, hőállóságát és ultraibolya sugárzással szembeni ellenállását.
Az infravörös fényvisszaverő fóliák kulcsfontosságú fényszabályozó anyagok, amelyek jelentősen javítják az izzólámpák hatásfokát azáltal, hogy az infravörös energiát visszaverik az izzószálra. A többrétegű oxidréteg technológiát széles körben alkalmazzák az infravörös fényvisszaverő fóliák gyártásában is, amelyeket kémiai gőzfázisú leválasztással halogén izzólámpák házak felületére visznek fel. Ezzel egyidejűleg a többrétegű interferencia szűrőfólia technológiát is alkalmazzák a fény színének megváltoztatására. A fényvisszaverő anyagok kiválasztása egyensúlyt teremt az optikai, mechanikai és termikus tulajdonságok között a lámpa hatásfokának növelése érdekében.