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