125588 (Технологический процесс изготовления кварцевой галогенной малогабаритной лампы типа КГМ 220-500)

Введение

По принципу работы галогенные лампы относятся к классу тепловых источников света, в которых излучение света является результатом нагрева тела накала до высоких температур электрическим током. Датой рождения ламп накаливания принято считать 1872 г., когда русский инженер А. Н. Лодыгин сконструировал и получил привилегию на «Способ и аппараты дешевого электрического освещения». Лампа Лодыгина состояла из цилиндрической стеклянной оболочки, из которой откачали воздух и в которую герметично вмонтировали тонкий угольный стержень. Такие лампы имели низкую световую отдачу, не превышающую 2—3 лм/Вт.

В последующие десятилетия творческая мысль ученых была направлена на изыскание новых материалов, пригодных для использования в качестве тела накала. Появились лампы с телом накала из тантала, иридия, осмия, молибдена. В 1910 г. был разработан металлокерамический метод изготовления тонких вольфрамовых нитей. До сего времени вольфрам является незаменимым материалом для тела накала, совершенствуются лишь технология изготовления тела накала и его конструктивное оформление. В 1913 г. для повышения световой отдачи ламп накаливания при неизменном сроке службы тело накала стали выполнять в виде вольфрамовой моноспирали, а в 30-х годах стали применять и биспираль.

Важно было также создать необходимые условия работы тела накала в лампе. Известно, что вольфрам быстро окисляется в атмосфере воздуха. Поэтому с первых шагов создания ламп накаливания встал вопрос о технике откачки воздуха и создании условий герметизации стеклянной оболочки ламп. Анализ исторического пути развития ламп накаливания показывает, что их прогресс был неотъемлемо связан с прогрессом в области вакуумной техник. Успехи, Достигнутые в первые десятилетий 20-го столетия в области получения и применения вакуума, позволили значительно усовершенствовать конструкцию ламп накаливания и методы их изготовления Световая отдача вакуумных ламп с вольфрамовым телом какала значительно возросла по сравнению с лампами с угольным телом накала. Обеспечение хорошей вакуума в лампах позволило увеличить продолжительность горения до 1000 ч. Вакуумные лампы накаливания нашли широкое применение. И до сего времени, несмотря на создание новых, более эффективных конструкций многие типы ламп изготовляются в вакуумном исполнении и являются незаменимыми во многих случаях.

Тем не менее, существенным недостатком вакуумные ламп является сравнительно низкая световая отдач; в связи с невозможностью эксплуатации тела накал; при температурах выше 2600—2800 К, при которых испарение вольфрама сильно возрастает. В условиях вакуума вольфрам беспрепятственно испаряется и осаждается на внутренние стенки колбы (оболочки), приводящие к резкому снижению светового потока.

Одним из путей противодействия испарению вольфрама является наполнение ламп азотом и инертными газами — аргоном, криптоном и ксеноном. Появление газонаполненных ламп явилось следующим крупным шагом в направлении дальнейшего совершенствования конструкции ламп и повышения их эффективности.

Однако газовое наполнение в лампах накаливания не устраняет вредного действия термического испарения вольфрама, оно лишь значительно его уменьшает. Следовательно, если термическое испарение вольфрама является неизбежным физическим процессом, необходимо каким-то образом очищать стенки оболочек от оседающих частичек вольфрама.

И решение было найдено: стали применять так называемый галогенный цикл. Благодаря введению внутрь ламп определенных добавок к инертному газу создаются возможности и условия для возникновения и протекания таких физико-химических реакций, которые приводят к полной очистке стенок оболочек от оседающего вольфрама и переносу его обратно на тело накала.

Однако неизбежное распыление вольфрама на стенки кварцевых трубок сильно ограничивало срок службы нагревателей; они быстро чернели и оказывались практически непригодными, несмотря на то что тело накала продолжало работать. И тут исследователи «вспомнили» о регенеративных галогенных циклах, которые, как оказалось, давно известны в науке.

Использование галогенов и их соединений в электровакуумных приборах, и в частности в лампах накаливания, имеет давнюю историю. Такие работы были проведены еще задолго до использования вольфрама в лампах. В их основу были положены достаточно изученные к тому времени явления диссоциации галогенных соединений. Необходимость улучшения световых параметров ламп направила мысль исследователей на использование металлических нитей вместо угольных. Поскольку изготовление тонких металлических нитей тоже представляло трудную проблему, то в первую очередь были поставлены работы по металлизации угольных нитей. И тут пригодились галогенные соединения. Способы покрытия угольных нитей путем осаждения металлов из их галогенных солей и окислов оказались удобными.

По сути дела эти же химические процессы соединения и диссоциации имеют место в галогенных лампах.

В настоящее время галогенные лампы получили широкое распространение. Они используются для осветительных установок жилых зданий, применяются для местного освещения взрывоопасных помещений.

В этом курсовом проекте дано описание устройства и технологического процесса изготовления кварцевой галогенной лампы типа КГ 220-500.

В первой части курсового проекта представлено описание устройства лампы, а также рассмотрены принципиальные особенности работы галогенных ламп накаливания.

Вторая часть охватывает технологический процесс изготовления лампы, ее сборку и испытание.

В третьей части приведен расчет галогенной смеси, которая используется при производстве лампы типа КГ 220-500.

1. Конструкция лампы

1.1 Конструкция кварцевой галогенной лампы

Появление кварцевых галогенных ламп накаливания (ГЛН) явилось большим прогрессом в области тепловых источников света. Они являются высокоинтенсивными источниками излучения (с малыми габаритными размерами), благодаря чему нашли широкое применение во многих областях науки, техники и быта. Имеется много примеров того, как использование ГЛН позволило найти принципиально новые технические решения многих интересных задач, которые ранее либо вовсе были невозможны, либо не давали должного эффекта.

В группу линейных галогенных ламп входят лампы, предназначенные для общего специального освещения, для нагрева, сушки, использования в репродукционной технике и для других технологических целей. Общими признаками ламп этой группы являются линейная конструкция, оболочка в виде длинной кварцевой трубки и двустороннее софитное расположение токовых вводов.

На рисунке 1.1 представлен чертеж лампы КГ 220-500.

L – длина лампы – 132 мм.

D – внешний диаметр колбы – 11 мм.

Рисунок 1.1 – Кварцевая галогенная лампа типа КГ 220-500.

1.2 Циклические процессы с участием галогенов в кварцевой галогенной лампе

Под вольфрамо-галогенными циклами понимают комплекс химических реакции (процессов), в результате которых частицы вольфрама, испарившиеся с нагретой до высокой температуры поверхности тела накала, перемещаются с помощью галогенов в обратном направлении— из области более низких в область более высоких температур.

Назначение таких циклов — предотвращать почернение оболочки испарившимся с тела накала вольфрамом, сохранять ее чистой, светлой, прозрачной на протяжении всего срока службы ламп. Поскольку, наряду с вольфрамо-галогенным циклом вынужденно создаются благоприятные условия для протекания других посторонних циклов, основной задачей является создание таких конструкции ламп, в которых максимально предотвращалось бы вредное воздействие посторонних циклов.

Иногда вольфрамо-галогенный цикл называют регенеративным: возвращая испарившийся вольфрам назад на тело накала, он как бы «регенерирует» его. Но в действительности он не является таковым, поскольку не способен и не может восстанавливать полностью тело накала в его первоначальном виде. Частицы вольфрама испаряются с одних участков и оседают на другие. Особенно интенсивно испарение происходит с более горячих участков тела накала, образующихся как в результате неравномерного распределения температуры вдоль тела накала из-за охлаждающего действия токовых вводов и поддержек (крючков), так и вследствие отдельных локальных дефектов (например, дефекта диаметра) нити. Галогенный цикл не в состоянии «залечивать» такие дефектные участки вольфрамовой проволоки.

Конечно, желательно иметь тела накала, у которых по всей длине температура была бы одинаковой. В этом случае и испарение и обратное оседание вольфрама были бы практически одинаковыми по всей длине. Однако это невозможно реализовать. «Горячие» точки на поверхности тела накала так и остаются «горячими». Более того, в процессе срока службы относительное превышение их температуры по сравнению с другими участками тела накала может все более и более усиливаться. Таким образом, в процессе работы ламп лишь утоньшается в одних местах и утолщается в других; но благодаря галогенному циклу общая масса вольфрамового тела накала остается практически постоянной. Если в обычных лампах накаливания критическая потерн массы тел накала может служить каким-то критерием срока службы источников света, то в галогенных лампах, как следует из изложенного, этот «фактор» теряет смысл. На срок службы влияет не общее количество испаряющегося вольфрама, или критическая потеря массы тела накала, а температурное поле тела накала, испарение и возврат вольфрама на отдельные участки спирали.

Вольфрамо-галогенные циклы возможны при использовании в качестве транспортирующего средства (переносчика) любого из четырех галогенов — йода, брома, хлора, фтора — и проходят, в принципе, по одинаковой схеме, которую в общем виде можно представить, следующим образом:

_{при низкой температуре}

W+nX W+X_n

^{при высокой температуре}

где X—используемый галоген; п — количество атомов. Схематично упрощенное представление об этих пробах показано на рис. 1. 2

При низкой температуре на стенках оболочки испарившийся вольфрам и галоген образуют химическое вольфрамо-галогенное соединение— галогенид. При определенной температуре это газообразное соединение улетучивается и из-за повышенной концентрации вблизи стенки диффундирует в направлении к раскаленному телу накала. Здесь галогениды диссоциируют на исходные составные части — вольфрам, который оседает на тело накала, и галоген, который в свободном виде движется и обратном направлении к стенке оболочки для соединения с новой порцией вольфрама.

При установившемся процессе в лампе атомы вольфрама могут вообще не достигать стенок оболочки, а соединяться с галогеном в непосредственной близости от нее; тогда почернение оболочки исключается. Но галогенид, разумеется, может образоваться и на самой стенке оболочки.

Однако одновременно с ростом интенсивности цикла растет опасность разрушения более холодных частей тела накала и держателей. Поэтому выбор галогена, а так же его концентрации является сложной задачей, связанной как со сроком службы тела накала и предотвращения разрушения более холодных участков металлических деталей лампы, так и с обеспечением устойчивого процесса протекания указанных химических реакций.

Вольфрамо-галогенные циклы могут быть получены и при использовании не чистых галогенов, а их соединений. Это в основном связано с токсичностью и агрессивностью используемых галогенов, а так же технологическими трудностями их введения в лампу и дозировки.

Экспериментально были найдены наиболее удобные соединения на основе водорода (HI, HBr, HC1) и галогенно-углеводородные (СН_nХ_n)

В настоящее время нашли широкое применение в производстве галогенных ламп бромистый метил (СН₃Вг) и бромидный метилен (СН₂Вг₂).

2 Технологический процесс изготовления кварцевой галогенной лампы

2.1 Физические свойства кварцевого стекла и методы его обработки

Значительное уменьшение габаритных размеров галогенных ламп и необходимость создания условий для действия галогенного цикла потребовали наличия высоких температур на стенках оболочки. Все это сделало невозможным применять обычные электровакуумные стекла. Потребовалось использование кварца.

Кварцевое стекло кроме высокой температуры плавления имеет большую прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, малую газопроницаемость, химически инертно к наполняющие газам и галогенным соединениям, имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения и малочувствительно к термоудару, сравнительно хорош., обрабатывается.