bÚcsÚ az izzÓlÁmpÁktÓl · a tho2 fázis azonban a volfrám 2800 k-es üzemi hőmérsékletén...

BÚCSÚ AZ IZZÓLÁMPÁKTÓL

Gaál István

MTA MFA

gaal@mfa.kfki.hu

Az előadás motivációja

Napjainkban is gyakran hosszú az az út, amelyik a meglepően új ötlettől, a

működőképes modellen át apiacképes termékig vezet.

Erre napjainkban is sok a példa:

� fúziós nukleáris reaktor,� fúziós nukleáris reaktor,

� napelem,

� tüzelőanyag-cella,

� termoelektromos konverter,

� félvezető világitó-dióda.

A hosszú érési időnek alapvető oka van: a sikeres technológia rendszerint igen eltérő természetű ismeretek és tapasztalatok összehangolásán alapul, és gyakran új, sok-komponensű anyagfajta mély ismeretét igényli.

Az oktatás szempontjából az izzólámpák

fejlesztésének kulturtörténeténe egy eléggé

jól követhető példa lehet arra, hogy egy

gyökeresen új termék kutatásában és

fejlesztésében milyen sok-irányú feladattal

kell szembesülünk.

Ennek a kulturtörténetnek az a nagy előnye, hogy itt a terméket mindenki

ismeri, és működési elv is igen közelesik a mindennapi

tapasztalathoz.tapasztalathoz.

Ezért lehet talán itt a legkönnyebben érzékelni azt a sokrétű technológia

erőfeszítést, és ismeret-anyagot

ami által izzólámpa piacéretté vált.

.

Az izzólámpa működési elve egyszerű.A terméket mindenki kézbe fogja, ismeri.

Tudjuk, hogyaz elektromosan vezető testet

a rajta átfolyó áram felhevíti.a rajta átfolyó áram felhevíti.Azt is tudjuk, hogyha

az átfolyó áram kellően nagy, akkor a

test felizzik, fényt bocsát ki, világít.

Talán kevésbé ismert, hogy az

árammal izzított platina-szál

világítását először Volta mutatta be

1801-ben a Francia Akadémián.

Figyelemre méltó, hogy ott volt

Napoleon is.

A ma használatosakkal összemérhető

hatékonyságú és élettartamú

izzólámpák azonban csak

1920 körül

kerületek tömegesen a piacra.

.

A száz-éves lappangási időnek

két igen eltérő oka volt.

1.) Egyrészt hatékony áramforrásokra és

elektromos hálózatokra volt szükség

ahhoz, hogy az elektromos világítás

elterjedjen, a lámpáknak piaca legyen.elterjedjen, a lámpáknak piaca legyen.

2.) Másrészt világos volt, hogy az úttörő,

levegőn üzemelő modell-lámpák

platina spirálját (de la Rue 1809) már

csak költség-okokból is más anyaggal

kell majd kiváltani.

Az izzólámpa-gyártás

anyag-technológiai

problémáinak vázlata

Az izzószál története

1.) 1880 és 1910 között karbon-alapú,

valamint ozmiumból, tantálból és

volfrámból készült vékony egyenes

izzószálak tették lehetővé piacképes

izzólámpák gyártását.izzólámpák gyártását.

2.) A tartós megoldást a

szobahőmérsékleten duktil, 2800 K-en is

alaktartó, és spirál-rugóvá formálható

volfrámhuzal adta meg. Ennek

technológiája Coolidge (1909-1914)

nevéhez fűződik.

A Coolidge technológia empirikus technológia-volt. A paramétereket a széleskörű tapasztalat gyüjtés és a gondos megfigyelés alapján állították be.A hatékonynak mutatkozó K, Al, Si adalékok kötésállapota ismeretlen volt.

Csak 1960 és 1995 között derült fény arra, Csak 1960 és 1995 között derült fény arra, hogy a Coolidge technológia lényeges mikroszerkezeti történései az 500 nm alatti skálán folynak le. A hatékony adalék a 80 nm-nél kisebb átmérőjű oxigén-mentes kálium-zárvány.

Az is kiderült, hogy a volfrám szobahőmérsékleti duktilitásának hátterében a 400 és 200 nm közötti szemcseméret áll. Az ennél finomabb szemcseméretű volfrám már igen hajlamos a szemcsehatárok menti törésre.

Itt érdemes megemlíteni, hogy ezen a méretskálán a mechanikai tulajdonságok reprodukálható beállítása és mennyiségi leírása napjaink egyik legizgatóbb anyagtudományi kérdése. A kutatás mind fémes, mind keramikus anyagokon igen intenziv.

A Coolidge technológiával készült volfrám legfontosabb technológiai sajátsága az, hogy nem gyártható jó minőségű termék a

szál szén és oxigén tartalmának nyomelem-szinten történő kontrollja nélkül. Ez azt

kivánja meg, hogy mind a technológiában, kivánja meg, hogy mind a technológiában, mind a lámpa-üzeme során

a gázatmoszféra (vagy a vákuum) oxigén

és széntartalmú molekuláinak parciális

nyomását a nagy-vákuumnak megfelelő

nyomások szintjén kontrolláljuk.

A technológiai ismeretek és

tapasztalatok

nem mindig hasznosultak

az izzólámpa-gyártásban,

de néha egészen új területeken nyitottak

utat meglepően új termékeknek.

Erre két példát hozok.

1.) Kézenfekvőnek tünt, hogy az izzószál magashőmérsékleti szilárdságát egy kemény, magasolvadáspontú anyag finom zárványaival emeljék meg. Igy született meg a diszperz ThO2

fázissal adalékolt volfrám.A ThO2 fázis azonban a volfrám 2800 K-es üzemi

hőmérsékletén elbomlik és a szálból gázmolekulák és atomok formájában távozik. Nem biztosithat tehát meleg-szilárságot.meleg-szilárságot.

Langmuir felismerte azoban, hogy alkalmas hőkezeléssel fél monorétegnyi Th adszorbeálódik a tóriumos volfrám felületén, és ez tartósab leszállitja az elektronok kilépési munkáját 2300 K alatti hőmérésékleteken. Igy született meg a mindmáig széles körben használt tóriumos volfrámelektród.

2.). Nernst izzólámpák sugárzó testjének céljára

magasolvadáspontú ion-vezető oxidokatállított elő. A szabadalmait kimagasló áron adta el, de

de az eredeti célra soha nem használták azokat.

Mind a mai napig azonban ezeknek az oxidoknak a a különböző variánsai adják azokat a kristályos

elektrolitokat, amelyek galvánelemekben oxigén elektrolitokat, amelyek galvánelemekben oxigén

szondaként használhatóak, más galvánelemekben pedig termokémiai egyensúlyi állandók mérésére

szolgálnak.

Ezen oxidok perspektivája is jelentős:

kandidátusai a magashőmérsékletű tüzelőanyag-

cellák membránjainak.

Az izzólámpa gyártás fejlett vákuum technikát és ultratiszta semleges gáz

töltést igényelt.Ez két új iparágnak adott lökést: a vákuumtechnikai iparnak és

a getter-anyagok gyártására a getter-anyagok gyártására szakosodott iparnak.

(A getter, mint tudjuk, a szén, oxigén, foszfor és kén tartalmú gázmolekulák

tartós megkötésére alkalmas szilárdtest.)

Az izzólámpák fejlesztési igényei utat nyitottak új

tudományterületek tudományterületek művelésének is

• Hőátadás numerikus tervezése szimultán hővezetés, konvekciós hőtátadás és hősugárzás esetén

• Gázok monoréteges (és töredék-monoréteges) adszorbciója és deszorpciója kristályok szabad felületén (Langmuir Nobel díja)

• Kémiai transzport reakciók nagy-vákuumban• Kémiai transzport reakciók nagy-vákuumban

eltérő hőmérsékletű szilárdtestek között.

• Oxidok disszociációja fém-mátrixban és

oxid-mátrixban

A kulturtörténet utántérjünk rá a jelenretérjünk rá a jelenre

Úgy tűnik, hogy a közvéleményt váratlanul érte egy olyan döntés,

amelyet a fényforrásipar már két évtizede elemez.

Napjainkban vált aktuálissá, hogy energetikai megfontolások alapján energetikai megfontolások alapján

kivonják a forgalombóla 75 W feletti izzólámpákat.

.

Először is idézzük fel, hogyhogyan minősítjűk

egy világítástechnikai termékenergetikai hatásfokátenergetikai hatásfokát

A világítás technikában az energetikai

hasznositás mértéke: a lumen/watt

Egy fényforrás által a teljes spektrális tartományban kibocsátott elektromágneses sugárzás energia-fluxusa.

λλ dTjTJ ),()( ∫∞

= λλ dTjTJ ),()(0

∫=

Ezt a mennyiséget a fényforrást körülvevő elég távoli referencia gömbfelületre beeső energia-fluxus-sűrűség felületi integrálja adja. (j(T,λ) tehát a Pointing vektor normálkomponensének spektrális sűrűsége.

Természetesen ennek az energia-fluxusnak egy jelentős részét szemünk nem érzékeli. Részletekbe menő vizsgálatok után megegyeztek abban, hogy a szem fényinger-érzetét energetikai szempontból egy szabványosított, (dimmenziótlan) spektrális érzékenységi faktorral, Ve(λ)-val, veszik figyelembe. Igy a fényforrás teljes fényárama

∞

λλλφ dTjVKT em ),()()(0

∫∞

=

Itt Km egy átváltási faktor (685 lumen/watt). A Km faktor az energetikai elemzés mérőszámait kapcsolja össze a hagyományos (etalonos) fotometria mérőszámaival.

Nézzük meg ezek után, hogyan alakulta különböző világítástechnikai fényforrásoka különböző világítástechnikai fényforrások

energetikai hatásfokaa XX. században

Világítástechnikai fényforrásainkenergetikai hatásfoka

Fluorescens lámpákFémhalid lámpák

Halogén izzólámpa

• Láttuk, hogy az izzólámpáknak két osztálya van. Vannak a semleges gázzal töltött izzólámpák, és vannak a halogén-lámpák. Az utóbbiakban, a volfrám szublimációját a semleges gáztérhez adott halogén-adalékok transzport reakciói szorítják vissza.

• Láttuk azt is, hogy a fluoreszcens lámpák energetikai hatásfoka kiemelkedő. Piac nyerésük okanyerésük oka

�Hosszú fejlesztés eredményeként élettartamuk árukhoz viszonyítva elegendően hosszú lett.

�Továbbá fényünk a komfort-érzet tekintetében egyre jobban megközelíti az izzólámpákét.

� .

Mit tudnak és mit nem tudnak a fluoreszcens lámpák?fluoreszcens lámpák?

A legujabbkompakt fluoreszcens lámpák

A legujabb kompakt fluoreszcens lámpák méretei közel azonosak az azonos lumenű szokásos izzólámpák

méreteivel

A fényerősség függ a környezet hőmérsékletétől

A villák bejárati megvilágitására a fluoreszcens lámpa

kevéssé alkalmas

YE

RŐ

SS

ÉG

Piros nyil:Higany adalék

*

RE

LA

TIV

FÉ

NY

ER

Ő

HŐMÉRSÉKLET (°C)

Az USHIO Co. Erre a célra 2000 óra élettartamú izzólámpákat ajánl

Fekete nyilAmalgán adalék

Rosszabb hűtésű burába amalgán adalékos lámpa való!!

Azonos lumen mellett lényegesenkisebb watt

A kompakt fluoreszcens lámpa

szinhűsége és a kibocsátott fény adta

komfort-érzés megközeliti a

klasszikus izzólámpákét

Vigyázat!!

A higany tartalom miatt különleges

kezelést igénylő lom

A kompakt fluorescens lámpák élettertama

• Nagy cégek 2009 őszi katalógusai hosszú átlagos élettartamot garantálnak.

• Kétféle élettartamot adnak meg:

• Minimum 3 órás üzem és 1 óra pihenési • Minimum 3 órás üzem és 1 óra pihenési idő mellett 10 000 óra (háztartási használat)

• Átlagosan 12 órás folyamatos üzem és 1 óra pihenési idő mellett 12 000 óra

• A katalógus adatok mögött az az ismeret húzódik meg, hogy a fluoreszcens lámpák elektródját a bekapcsolás errodálja. A lámpa élettartamát akár 2000 órára is lecsökkentheti a rövid (10 perces) üzemre történő sokszori bekapcsolás.

Mi rejlik a katalógus adatok mögött?

bekapcsolás.• Ne használjunk lépcsőházban,

mellékhelységben fluoreszcent lámpát.• Erre számít az Ushio Co akkor, amikor 20 000

órás 53 wattos 24 V-os izzólámpát kínál erre a célra.

Pontszerűvilágítástechnikai

fényforrások

A pontszerű fényforrások tipikus példái a vetítő és fényszóró lámpák.

A kilencvenes években a halogén adalékos autófényszóró izzólámpákat a fémhalid kisülő

lámpák kezdték el kiszorítani a piacról.

A fémhalid lámpák nagynyomású A fémhalid lámpák nagynyomású nemesgáz töltésű kisülőlámpák.

Elektródjuk tórium adalékos volfrám.A gáztér halogén adaléka kémiai transzport-

reakciókkal csökkenti az elektródák szublimációját.

A gépjármű-lámpa piac változása 2000 körül

1987

1991

1992

1995

1996

1999

2000

2003

Eureka

3,8 millió$

152 mérnökév

Philips

OSRAM

Audi

BMW

Magyar Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program

FOTONIKAI FÉNYFORRÁSOK

A fotonika fényforrásai a kibocsátott fénnyel a fizika és a kémia numerikus törvényei által leirható hatásokat okoznak:hevítenek, kémiai reakciókat keltenek, a kémiai analitikában hasznosítható abszorpciós és emissziós folyamatokat váltanak ki. emissziós folyamatokat váltanak ki.

A fotonikai fény-források hatékonyságát a fizika és a kémia törvényeivel exakt módon leírható szenzorokkal mérjük. (Az emberi szem sajátságaira nem kell tekintettel lennünk!!)

A deutérium lámpa:kontinuum sugárzó UV fényforrás

A deutérium lámpa a szerveskémiai szerkezet-elemzés műszere

Műszert nagy intenzitás-stabilitása jellemzi:Az intenzitásfluktuáció relatív értéke 10-5

Oxid-katód beégetése minsőség meghatározó

Pontszerű fényforrásPontos katód-anód pozició

Megbizható, helypontosleképzése a pontszerű

fényforrásnak

A LED ára kis töredéke a lámpa árának.A rezonáns üreg gyártását és a

LED jó hűtését kell az árban megfizetni.

• A fotonikai piac hónapról hónapra új termékekkel áll elő.

• A klasszikus termékek műszaki jellemzőit is gyakran duplázzák meg a javított változatok.

• A fotonika (elsősorban az UV fotonika) nagy lehetőségeket ad a klasszikus fényforrás lehetőségeket ad a klasszikus fényforrás technológiák művelőinek a termék-váltásra(Érdemes megnézni USHIO Co katalógusait az interneten. A családi cég 1920-ban izzólámpa gyártással indult, ma világszerte leányvállalatai vannak. Bajorországi leányvállalata most indul az UV piacon.)