Halogenlampe

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Hintergrund

Eine Halogenlampe ist eine Art Glühlampe. Die herkömmliche Glühlampe enthält einen Wolframfaden, der in einer Glashülle eingeschlossen ist, die entweder evakuiert oder mit einem Inertgas oder einer Mischung dieser Gase (typischerweise Stickstoff, Argon und Krypton) gefüllt ist. Wenn der Glühfaden mit elektrischer Energie versorgt wird, wird er heiß genug (im Allgemeinen über 2000 °C), um zu einer Glühlampe zu werden; mit anderen Worten, der Glühfaden leuchtet und emittiert Licht. Während des Betriebs kondensiert das aus der heißen Wendel verdampfende Wolfram an der kühleren Innenwand des Kolbens, wodurch der Kolben schwarz wird. Dieser Schwärzungsprozess reduziert kontinuierlich die Lichtleistung über die Lebensdauer der Lampe.

Eine Halogenlampe wird mit einigen Modifikationen geliefert, um dieses Schwärzungsproblem zu beseitigen. Der Kolben aus Quarzglas statt Kalknatronglas ist mit den gleichen Edelgasen gefüllt wie Glühlampen, gemischt mit geringen Mengen Halogengas (meist weniger als 1 % Brom). Das Halogen reagiert chemisch mit der Wolframabscheidung, um Wolframhalogenide zu erzeugen. Wenn das Wolframhalogenid den Glühfaden erreicht, führt die starke Hitze des Glühfadens dazu, dass das Halogenid zerfällt und Wolfram zurück an den Glühfaden freigesetzt wird. Dieser Prozess – bekannt als Wolfram-Halogen-Zyklus – sorgt für eine konstante Lichtleistung über die Lebensdauer der Lampe.

Damit der Halogenzyklus funktioniert, muss die Glühbirnenoberfläche sehr heiß sein, im Allgemeinen über 250 °C (482 °F). Das Halogen verdampft möglicherweise nicht ausreichend oder reagiert nicht angemessen mit kondensiertem Wolfram, wenn die Glühbirne zu kühl ist. Dies bedeutet, dass die Glühbirne kleiner sein muss und entweder aus Quarz oder einem hochfesten, hitzebeständigen Glas namens Alumosilikat besteht. Da die Glühbirne aufgrund ihrer dickeren Wandungen klein und in der Regel ziemlich stark ist, kann sie mit einem höheren als dem üblichen Druck mit Gas gefüllt werden. Dadurch wird die Verdampfung des Wolframs aus dem Glühfaden verlangsamt und die Lebensdauer der Lampe erhöht.

Darüber hinaus macht es die geringe Größe der Glühbirne manchmal wirtschaftlich, schwerere Premium-Füllgase wie Krypton oder Xenon zu verwenden, die die Wolframverdampfungsrate verlangsamen, anstelle des billigeren Argon. Der höhere Druck und die besseren Füllgase können die Lebensdauer der Glühbirne verlängern und/oder eine höhere Glühfadentemperatur ermöglichen, die zu einem besseren Wirkungsgrad führt. Jegliche Verwendung von Premium-Füllgasen führt auch dazu, dass durch das Füllgas weniger Wärme vom Filament abgeleitet wird. Dies führt dazu, dass mehr Energie das Filament durch Strahlung verlässt, was die Effizienz leicht verbessert.

Halogenlampen erzeugen somit weißeres und helleres Licht, verbrauchen weniger Energie und halten länger als herkömmliche Glühlampen gleicher Wattzahl. Sie können 2.000 bis 4.000 Stunden (etwa zwei bis vier Jahre) halten im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen, die nur 750 bis 1.500 Stunden oder drei Stunden pro Tag für etwa ein Jahr betrieben werden. Halogenlampen kosten jedoch mehr.

Die meisten Halogenlampen haben eine Leistung von 20-2.000 Watt. Niederspannungstypen reichen von 4-150 Watt. Einige Halogenlampen sind auch mit einer speziellen Infrarot-Reflexionsbeschichtung auf der Außenseite des Kolbens ausgestattet, um sicherzustellen, dass die Strahlungswärme, die sonst verschwendet wird, zum Lampenwendel zurückreflektiert wird. Das Filament brennt heißer, sodass weniger Watt benötigt wird. Diese Lampen können bis zu 4.000 Stunden halten.

Obwohl sie effizienter als andere große Glühlampen sind, sind Wolfram-Halogen-Lampen im Vergleich zu den Typen von Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen (HID) ineffizient. Halogenlampen können auch ein Sicherheitsrisiko darstellen, da die erzeugte Hitze zwischen 121 und 482 °C (250-900 °F) liegen kann.

Verlauf

Öllampen mit Glaskamin waren die Vorläufer der elektrischen Lampen. Gaslampen waren ebenfalls üblich, hatten aber offensichtliche Nachteile. Im frühen neunzehnten Jahrhundert wurde eine Lampe mit einem elektrisch beheizten Draht (Platin) entwickelt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Glühfadenmaterialien wurden effizientere Lampen möglich. Im Jahr 1860 demonstrierte ein englischer Erfinder namens Swan eine Kohlefadenlampe. Sowohl er als auch Thomas Edison verbesserten diese Lampe schließlich um 1878 für den praktischen Gebrauch. Edison installierte 1880 das erste erfolgreiche elektrische Beleuchtungssystem.

Später wurden diese Kohlenstofffilamente durch Tantal- und dann Wolframfilamente ersetzt, die langsamer verdampfen als Kohlenstoff. Nachdem ein Verfahren zum Ziehen von Wolframdraht perfektioniert war, wurden 1911 die ersten Wolframfadenlampen eingeführt. Dies waren Vakuumlampen. Im Jahr 1913 führte die General Electric Corporation Wolfram-Glühlampen ein, die Inertgas und gewendelte Glühfäden verwenden. Sechs Jahre später überstieg die Jahresproduktion von Glühbirnen in den Vereinigten Staaten 200 Millionen. Heutzutage werden fast alle elektrischen Glühlampen mit Wolframfilamenten hergestellt.

Der in Halogenlampen verwendete Wolfram-Halogen-Zyklus wurde erstmals vor 40 Jahren entwickelt und getestet. Einige der ersten kommerziellen Halogenbirnen wurden 1959 eingeführt. Anwendungen seitdem umfassen Studiobeleuchtung, Projektionslampen und Fahrzeugscheinwerfer. Letzteres führte zu einer anderen Glasart, die als Aluminosilikat bezeichnet wurde und in den frühen 1970er Jahren erstmals in Lampen eingeführt wurde. Die niedrigere Erweichungs- oder Arbeitstemperatur dieser Gläser ermöglichte eine automatisierte Hochgeschwindigkeitsproduktion von Halogenlampen.

Eine Glühbirnenindustrie entstand zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als elektrische Energie für die breite Öffentlichkeit verfügbar wurde. In den frühen 1980er Jahren verkauften rund 70 US-amerikanische Unternehmen jedes Jahr Glühbirnen und Röhren im Wert von über 2 Milliarden US-Dollar. In den nächsten zehn Jahren wuchs der Gesamtmarkt für Glühbirnen aufgrund eines Rückgangs Anfang der 1990er Jahre nur auf etwa 2,9 Milliarden US-Dollar. Der Markt erreichte 1994 fast 4 Milliarden US-Dollar, blieb aber in den nächsten Jahren relativ flach.

Im Jahr 1992 verabschiedeten die Vereinigten Staaten den National Energy Security Act, der die Verwendung moderner, effizienterer Glühbirnen vorschreibt. Das Gesetz zielte darauf ab, den Verkauf von ineffizienten Leuchtstofflampen ab 1994 und anderen energieineffizienten Glühbirnen bis 1995 zu verhindern. Es verbot auch verschiedene Arten von Leuchtstoffröhren, einige Reflektorglühlampen und verschiedene Flutlichtlampen. Die Verabschiedung dieses Gesetzes erhöhte auch den Preis für Blumenzwiebeln um 4-6%.

Dieses Gesetz sowie sinkende Gewinne inspirierten Lampenhersteller Mitte der 1990er Jahre, Lampen anzubieten, die den Energieverbrauch senken, die Beleuchtung verbessern, die Langlebigkeit erhöhen und die Umweltbelastung minimieren könnten. Kompaktleuchtstofflampen und Halogenlampen waren zwei Typen, die Wachstum boten. So stieg der Halogenversand im Zeitraum 1993-1998 um fast 15 % pro Jahr. Der Gesamtmarkt für Beleuchtungsausrüstung in den USA belief sich 1998 auf über 10 Milliarden US-Dollar.

Mitte 1997 koordinierte der Consumer Products Safety Council einen Rückruf von Halogen-Taschenlampen für die Reparatur zu Hause aufgrund der Brandgefahr, die durch schlechtes Leuchtendesign und heiße Glühbirnen verursacht wird. Der Zweck dieses Rückrufs bestand darin, vorhandene Torchiere-Lampen mit einem Schutzdraht-Glühbirnenschutz nachzurüsten (Lampen, die nach dem Rückruf hergestellt wurden, enthielten diese Schutzvorrichtungen bereits).

Andere Arten von Glühbirnen, einschließlich Halogen, wurden im Laufe der Jahre immer besser und werden für spezielle Anwendungen entwickelt. Die neueste Entwicklung in der Halogenlampentechnologie ist die Halogen-Infrarot-Reflexionslampe (IR). Diese Lampen können die gleiche Lichtleistung (Lumen) für viel weniger Leistung (Watt) oder umgekehrt wesentlich mehr Lumen für die gleichen Watt wie Standard-Halogenlampen liefern. Nur 10-15% der in Glüh- und Halogenlampen verbrauchten Leistung erzeugen sichtbares Licht. Der Großteil der Leistung wird als Wärme (Infrarotenergie) abgestrahlt.

Diese neuen Lampen haben eine Infrarot reflektierende Beschichtung, die auf der Außenfläche der Lampenkapsel aufgebracht ist, die einen Großteil der verschwendeten Infrarotenergie zurück in die Kapsel und auf den Wolframfaden reflektiert. Dies umgeleitet Ein Diagramm, das den Leistungsunterschied zwischen Halogen- und Glühlampenlicht zeigt. Energie erhöht die Glühwendeltemperatur und erzeugt so mehr Licht ohne zusätzliche Wattzahl. Heute werden diese Lampen vor allem in großen Einzelhandelsanwendungen zur Allgemeinbeleuchtung und Akzent- oder Displaybeleuchtung eingesetzt. Kürzlich kamen beim Times Square Ball zu Silvester 1999 180 neuartige Halogenlampen zum Einsatz. Eine doppelwandige Bauweise sorgt für eine Wärmeverteilung dieser Lampen ähnlich der von Glühlampen.

Rohstoffe

Das Kolbenmaterial ist je nach Halogenlampentyp entweder Quarz (Fused Silica) oder Alumosilikatglas. Quarzglas hat die entsprechende Temperaturbeständigkeit für den Wolfram-Halogen-Zyklus, der Glühbirnentemperaturen von bis zu 1.652°F (900°C) erzeugt. Für Lampen mit geringer Wattzahl bis etwa 120 Watt kann Alumosilikatglas verwendet werden. Entweder gibt es Glas in Form von zylindrischen Rohren, die auf die gewünschte Länge vorgeschnitten oder vom Lampenhersteller abgelängt werden.

Für die Glühwendel wird Wolfram verwendet. Das Wolfram wird in Form eines Drahtes erhalten, der unter Verwendung eines Dotierungs- (Hinzufügen winziger Mengen anderer Materialien) und eines Wärmebehandlungsprozesses hergestellt wird. Die Dotierstoffe erzeugen die Duktilität, die für die Verarbeitung des Wolframs zu Spulen erforderlich ist, und helfen, Verzerrungen während des Betriebs zu vermeiden. Molybdän – zum Versiegeln verwendet – wird in Form von Folie und Draht auf Spulen geliefert. Sockel aus Keramik, Glas oder Metall sind vorgefertigt.

Bei der Herstellung verwendete Gase umfassen Argon, Stickstoff, Krypton, Xenon, Brom, Wasserstoff, Sauerstoff und Natur- oder Propangas. Die meisten dieser Gase werden in Tanks oder Flaschen geliefert, einige in flüssiger Form. Natürlich Gas wird von der Gasgesellschaft eingespeist.

Design

Die elektrischen Eigenschaften der Lampe werden durch die Abmessungen und die Form oder Geometrie des Glühdrahts bestimmt. Je höher die Betriebsspannung, desto länger muss der Draht sein. Für höhere Wattzahlen ist ein dickerer Draht erforderlich. Die Wendel wird je nach Lampenanwendung in Form einer Spule unterschiedlicher Konfiguration gewickelt.

Die gängigsten Konfigurationen sind als Rundkern, Flachkern und Doppelfilament bekannt. In Sonderfällen werden andere Konfigurationen verwendet, entweder moduliert (für maximale Effizienz der Lichterzeugung) oder segmentiert (für eine gleichmäßige Lichtverteilung). Filamente sind auch auf zwei Arten ausgerichtet, axial oder quer. Bei doppelendigen zylindrischen Lampen ist die Ausrichtung immer axial. Bei einseitig gesockelten Lampen wird die Ausrichtung durch die Anwendung bestimmt.

Der Herstellungsprozess

Einige Lampenkomponenten werden an verschiedenen Standorten hergestellt und an die Fabrik geliefert, wo die Endmontage erfolgt. Der Grad der Fertigungsautomatisierung hängt von der Lampenanwendung, dem Verkaufsvolumen und dem Verkaufspreis ab. Das Verfahren für einseitig endende Quarz-Halogenlampen wird diskutiert.

Herstellen der Spule

• 1 Da ein dünner, gerader Draht schlechte Emissionseigenschaften hat und sich schwer in den Lampenkolben einpassen lässt, wird der Draht unter Verwendung von automatischen Maschinen, die Hochgeschwindigkeitsspulen ähneln, in die Form einer Spule gewickelt. Um ein Filament mit rundem Kern herzustellen, wird jedes Tum spiralförmig neben dem nächsten auf einem zylindrischen Stab gelegt. Für ein Flachkernfilament wird ein rechteckiger Stab verwendet. Bei einem Doppelfilament wird der Draht zunächst zu einer sehr feinen Primärspule gewickelt, die dann noch einmal um einen zweiten, dickeren Kern gewickelt wird. Auf engstem Raum passt so eine große Menge Draht.

  Eine Halogenbirne besteht aus Quarzglas und wird mit den gleichen Edelgasen wie Glühlampen gemischt mit kleinen Mengen an ein Halogengas. Das Halogen reagiert mit der Wolframablagerung, um Wolframhalogenide zu erzeugen, die zerfallen, wenn es den heißen Faden erreicht. Der Durchbruch setzt Wolfram zurück zum Glühfaden – bekannt als Wolfram-Halogen-Zyklus – und hält eine konstante Lichtleistung über die Lebensdauer der Lampe aufrecht.

Die Zwiebel formen

• 2 Nachdem das Glasrohr abgelängt ist, muss oben ein Absaugrohr angebracht werden. Zuerst wird die Oberseite des Rohres mit Gas-/Sauerstofffeuern erhitzt. Ein Wolframkarbidrad faltet das erweichte Glas um, um eine Kuppelform mit einem kleinen Loch zu bilden.
• 3 Ein kleineres Glasröhrchen, das sogenannte Abluftröhrchen, wird in das Loch eingesetzt und durch Schmelzen mit dem größeren Röhrchen verbunden. Dieses Rohr mit kleinem Durchmesser wird verwendet, um die Luft während des Versiegelungsvorgangs aus der Lampe zu spülen und die Luft zu evakuieren und das Füllgas während des Absaugvorgangs einzuführen. Dieser Prozess wird auf speziellen Rotationsmaschinen durchgeführt.

Das Reittier herstellen

• 4 Als nächstes wird die Halterung hergestellt. Zuerst wird die Brücke hergestellt, indem vorgeformte Wolframdrähte in einen kleinen zylindrischen Quarzstab eingebettet werden. Das Filament wird an diese Stützdrähte geschweißt und an die Außenleiteranordnung, bestehend aus den Molybdän-Dichtfolien und Außenleitern, geschweißt.
• 5 Die fertige Halterung wird zur Reinigung durch einen Wasserstoffofen bei 1.925°F (1.050°C) geschickt. Dieser Prozess entfernt alle Oxide, die den Wolframfaden während des Lampenbetriebs beschädigen können.

Versiegelung

• 6 Eine Maschine, die als Presssiegel bezeichnet wird, wird verwendet, um die Fassung im Inneren der Glühbirne hermetisch abzudichten. Die Fassung wird in die Glühbirne eingesetzt und beide Teile sicher gehalten. Der untere Teil des Kolbens wird dann mit Gas-/Sauerstoffbrennern auf etwa 3.272°F (1.800°C) erhitzt, um den Quarz zu erweichen. Edelstahl-Presskissen, die bei Drücken von 20-60 psi betrieben werden, drücken den Quarz auf die Molybdänfolien, die die hermetische Abdichtung bilden. Während dieses Vorgangs wird die Glühbirne mit einem Inertgas (Stickstoff oder Argon) gespült, um die Luft zu entfernen und eine Oxidation der Fassung zu verhindern. Die Außenleitungen ragen aus dem Ende der Presse heraus und stellen ein Mittel dar, um die Lampe elektrisch mit dem Lampensockel zu verbinden.

Evakuieren und Füllen des gepressten Kolbens

• 7 Der gepresste Kolben wird an der Absaugmaschine mit dem Halogengas gefüllt. Diese Maschine verwendet Vakuumpumpen, um die Luft aus dem Kolben zu evakuieren, und ein Füllsystem, um das Halogengasgemisch durch das Abluftrohr in den Kolben einzuführen. Der hohe Lampeninnendruck wird erreicht, indem die Lampe zunächst über Atmosphärendruck gefüllt wird und dann der Kolben in flüssigen Stickstoff gesprüht oder getaucht wird, der das Füllgas unter Atmosphärendruck kühlt und kondensiert. Gas-/Sauerstofffeuer schmelzen dann das Abgasrohr an der Spitze des Kolbens, wodurch die Spitze gebildet wird und das Gas in dem Kolben eingeschlossen wird. Das Gas dehnt sich bei Erwärmung auf die Umgebungstemperatur aus und führt somit zu einer Drucklampe.

Anbringen der Basis

• 8 Der Sockel einer Lampe dient dem elektrischen Anschluss und der Befestigung. Die Geometrie ist in nationalen und internationalen Normen definiert. Es gibt verschiedene Arten von Basen. Für einseitig gesockelte Lampen werden Glas-, Keramik- oder Metallsockel verwendet. Diese werden in der Regel mit einem speziellen Kitt, der eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Feuchtigkeit und thermische Beanspruchung aufweist, mit dem Glaskolben verklebt oder mechanisch befestigt. Für spezielle Anwendungen wird eine zementfreie Verbindung verwendet.

Verpackung

• 9 Nach der Endprüfung werden die Lampen je nach Anwendung manuell oder automatisch in Kartons verpackt. Lampen, die an Einzelhandelsgeschäfte verkauft werden, sind einzeln verpackt.

Qualitätskontrolle

Ein Drucktest (bei 40-100 Atmosphären je nach Fülldruck) wird nach dem Press/Seal-Prozess durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Lampe während des Betriebs nicht platzt. Normalerweise wird eine Stichprobe gezogen, obwohl einige Lampen zu 100% getestet werden. Nach dem Befüllvorgang werden die Lampen auf Dichtheit geprüft, indem sie auf eine Rundläufermaschine gelegt und einige Minuten beleuchtet werden. Bei einem größeren Leck verfärbt sich die Lampe weiß-gelb. Bei größeren mechanischen Defekten geht die Lampe in der Regel aus. Außerdem wird eine Stichprobe aus jeder Charge getestet, um sicherzustellen, dass alle Spezifikationen (Watt, Temperatur, Lichtleistung und Lebensdauer) eingehalten werden.

Nebenprodukte/Abfälle

Defekter Quarz wird entsorgt oder recycelt. Manchmal werden die Auspuffrohre wiederverwendet. Wolframabfälle werden geborgen und als Schrott verkauft. Abgeschlossene Lampen, die den Test nicht bestanden haben, werden verworfen. Lampenhersteller verwenden jedoch weiterhin umweltfreundlichere Materialien, um nicht recycelbaren Abfall zu reduzieren.

Einige Halogenlampen werden mit Bleiloten im Lampensockel hergestellt. Da Blei ein hochgiftiges Material ist, müssen bleihaltige Produkte das TCLP (Toxizitätscharakteristika-Auslaugungsverfahren) der Environmental Protection Agency bestehen. Wenn dies nicht der Fall ist, müssen sie als gefährlicher Abfall eingestuft werden und in einigen Staaten spezielle Entsorgungsvorschriften befolgen. Einige Lampenhersteller vermeiden dieses Problem, indem sie bleifreies Lot verwenden.

Die Zukunft

Der Absatz von Wolfram-Halogen-Lampen soll 2003 um 7,7 % auf 58 Millionen Einheiten steigen und damit den Absatz von Glühlampen übertreffen. Dies spiegelt die wachsende Akzeptanz von Halogenen in Wohn- und Gewerbeanwendungen wider, wie zum Beispiel Stromschienen- und Einbauleuchten, Tisch- und Stehlampen und andere allgemeine und aufgabenbezogene Beleuchtungen.

Trotz des zunehmenden Einsatzes von Halogenlampen in einer Reihe von Anwendungen haben sich die Stückzahlen seit Mitte der 1990er Jahre deutlich verlangsamt, da die Einfuhren aus Ländern wie China, Südkorea, Taiwan, Japan, den Philippinen, Mexiko, Deutschland, und Ungarn. Neben der Konkurrenz durch Importe werden auch andere Faktoren zu sinkenden Stückpreisen beitragen, wodurch die Wertsteigerungen der Sendungen auf 5,3 % pro Jahr bis 180 Mio. USD im Jahr 2003 begrenzt werden. Um Marktanteile zu gewinnen, werden einige Hersteller Preiserhöhungen begrenzen. Darüber hinaus werden verbesserte Skaleneffekte und Produktionstechniken dazu beitragen, die Stückpreise zu senken.

Die Hersteller von Halogenlampen werden auch weiterhin Glühbirnen mit überlegenen Lichteigenschaften, höherer Effizienz und verbesserter Lebensdauer zu geringeren Kosten entwickeln. Für spezielle Anwendungen werden neue und verbesserte Designs angeboten. Es werden weiterhin Lampen hergestellt, die umweltfreundlicher sind, und Herstellungsverfahren werden effizienter gemacht, um Abfall zu reduzieren.

Der Weltmarkt für Beleuchtungsprodukte soll bis zur Jahrhundertwende rund 28 Milliarden US-Dollar erreichen. Es wird erwartet, dass die Vereinigten Staaten ihren Anteil an diesem Markt über die gegenwärtigen 30 % hinaus steigern werden. Auch amerikanische Glühbirnen- und Lampenfirmen expandieren nach Übersee, indem sie Joint Ventures gründen oder Einrichtungen erwerben. Es wird erwartet, dass der Markt für nordamerikanische Beleuchtungsausrüstung bis 2005 über 15 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Glühlampen werden auf dem US-amerikanischen Markt mit über 80 % der verkauften Einheiten und über 50 % des Marktwertes aufgrund ihrer erheblichen Verwendung in den großen Märkten für Wohn- und Transportausrüstung weiterhin dominierend sein. Aufgrund der Reife des Glühlampenmarktes, der Konkurrenz durch andere Lampentypen und der Abschwächung des Wohnungs- und Kraftfahrzeugsektors wird die Nachfrage nach Glühlampen hinter dem Branchendurchschnitt zurückbleiben.