Les lampes se composent de deux types de base : les lampes à incandescence (ou à incandescence) et les lampes à décharge. Les composants de base des deux types de lampes comprennent le verre, divers morceaux de fil métallique, un gaz de remplissage et généralement une base. Selon le fabricant de la lampe, ces matériaux sont fabriqués en interne ou peuvent être obtenus auprès d'un fournisseur extérieur. Le fabricant de lampes typique fabriquera ses propres ampoules en verre, mais peut acheter d'autres pièces et verres auprès de fabricants spécialisés ou d'autres fabricants de lampes.
Selon le type de lampe, une variété de verres peut être utilisée. Les lampes à incandescence et fluorescentes utilisent généralement un verre sodocalcique. Les lampes à température plus élevée utiliseront un verre borosilicaté, tandis que les lampes à décharge haute pression utiliseront du quartz ou de la céramique pour le tube à arc et du verre borosilicaté pour l'enveloppe extérieure. Le verre au plomb (contenant environ 20 à 30 % de plomb) est généralement utilisé pour sceller les extrémités des ampoules des lampes.
Les fils utilisés comme supports ou connecteurs dans la construction de lampes peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux, notamment l'acier, le nickel, le cuivre, le magnésium et le fer, tandis que les filaments sont fabriqués à partir de tungstène ou d'un alliage tungstène-thorium. Une exigence critique pour le fil de support est qu'il doit correspondre aux caractéristiques de dilatation du verre là où le fil pénètre dans le verre pour conduire le courant électrique pour la lampe. Souvent, des fils conducteurs en plusieurs parties sont utilisés dans cette application.
Les bases (ou capuchons) sont généralement en laiton ou en aluminium, le laiton étant le matériau préféré lorsqu'une utilisation en extérieur est requise.
Lampes à incandescence ou à incandescence
Les lampes à incandescence ou à incandescence sont les plus anciennes lampes encore fabriquées. Ils tirent leur nom de la façon dont ces lampes produisent leur lumière : par le chauffage d'un filament de fil à une température suffisamment élevée pour le faire briller. Alors qu'il est possible de fabriquer une lampe à incandescence avec presque n'importe quel type de filament (les premières lampes utilisaient du carbone), aujourd'hui la plupart de ces lampes utilisent un filament en tungstène métallique.
Lampes au tungstène. La version domestique courante de ces lampes consiste en une ampoule en verre renfermant un filament de fil de tungstène. L'électricité est conduite au filament par des fils qui supportent le filament et s'étendent à travers la monture en verre qui est scellée à l'ampoule. Les fils sont ensuite connectés à la base métallique, avec un fil soudé à l'œillet central de la base, l'autre se connectant à la coque filetée. Les fils de support sont de composition spéciale, de sorte qu'ils ont les mêmes caractéristiques de dilatation que le verre, évitant les fuites lorsque les lampes deviennent chaudes pendant l'utilisation. L'ampoule en verre est généralement fabriquée à partir de verre à la chaux, tandis que la monture en verre est en verre au plomb. Le dioxyde de soufre est fréquemment utilisé dans la préparation de la monture. Le dioxyde de soufre agit comme un lubrifiant lors de l'assemblage de la lampe à grande vitesse. Selon la conception de la lampe, l'ampoule peut renfermer un vide ou peut utiliser un gaz de remplissage d'argon ou un autre gaz non réactif.
Les lampes de cette conception sont vendues avec des ampoules en verre transparent, des ampoules dépolies et des ampoules recouvertes d'une variété de matériaux. Les ampoules givrées et celles recouvertes d'un matériau blanc (souvent de l'argile ou de la silice amorphe) sont utilisées pour réduire l'éblouissement du filament trouvé avec les ampoules claires. Les ampoules sont également recouvertes d'une variété d'autres revêtements décoratifs, y compris des céramiques et des laques colorées à l'extérieur des ampoules et d'autres couleurs, telles que le jaune ou le rose, à l'intérieur de l'ampoule.
Alors que la forme domestique typique est la plus courante, les lampes à incandescence peuvent être fabriquées dans de nombreuses formes d'ampoules, y compris tubulaires, globes et réflecteur, ainsi que dans de nombreuses tailles et puissances, des subminiatures aux grandes lampes de scène/studio.
Lampes tungstène-halogène. Un problème dans la conception de la lampe à filament de tungstène standard est que le tungstène s'évapore pendant l'utilisation et se condense sur la paroi de verre plus froide, l'assombrissant et réduisant la transmission de la lumière. L'ajout d'un halogène, tel que le bromure d'hydrogène ou le bromure de méthyle, au gaz de remplissage élimine ce problème. L'halogène réagit avec le tungstène, l'empêchant de se condenser sur la paroi de verre. Lorsque la lampe refroidit, le tungstène se redépose sur le filament. Étant donné que cette réaction fonctionne mieux à des pressions de lampe plus élevées, les lampes tungstène-halogène contiennent généralement du gaz à une pression de plusieurs atmosphères. Typiquement, l'halogène est ajouté en tant que partie du gaz de remplissage de la lampe, habituellement à des concentrations de 2 % ou moins.
Les lampes tungstène-halogène peuvent également utiliser des ampoules en quartz au lieu de verre. Les ampoules à quartz peuvent résister à des pressions plus élevées que celles en verre. Les ampoules à quartz présentent cependant un danger potentiel, car le quartz est transparent à la lumière ultraviolette. Bien que le filament de tungstène produise relativement peu d'ultraviolets, une exposition prolongée à courte distance peut produire une rougeur de la peau et provoquer une irritation des yeux. Filtrer la lumière à travers un verre de protection réduira considérablement la quantité d'ultraviolets et fournira une protection contre le quartz chaud en cas de rupture de la lampe pendant l'utilisation.
Dangers et précautions
Dans l'ensemble, les plus grands dangers dans la production de lampes, quel que soit le type de produit, sont dus aux dangers des équipements automatisés et à la manipulation des ampoules et lampes en verre et d'autres matériaux. Les coupures de verre et l'accès à l'équipement d'exploitation sont les causes les plus fréquentes d'accidents ; les problèmes de manutention, tels que les mouvements répétitifs ou les blessures au dos, sont particulièrement préoccupants.
La soudure au plomb est fréquemment utilisée sur les lampes. Pour les lampes utilisées dans des applications à haute température, des soudures contenant du cadmium peuvent être utilisées. Dans les opérations d'assemblage de lampes automatisées, l'exposition à ces deux soudures est minime. Lorsque le soudage manuel est effectué, comme dans les réparations ou les opérations semi-automatisées, les expositions au plomb ou au cadmium doivent être surveillées.
Les expositions potentielles à des matières dangereuses lors de la fabrication de lampes ont constamment diminué depuis le milieu du 20e siècle. Dans la fabrication de lampes à incandescence, un grand nombre de lampes étaient autrefois gravées avec de l'acide fluorhydrique ou des solutions de sel de bifluorure pour produire une lampe dépolie. Cela a été largement remplacé par l'utilisation d'un revêtement d'argile à faible toxicité. Bien qu'il ne soit pas complètement remplacé, l'utilisation d'acide fluorhydrique a été considérablement réduite. Ce changement a réduit le risque de brûlures de la peau et d'irritation des poumons dues à l'acide. Les revêtements colorés en céramique utilisés à l'extérieur de certains produits de lampe contenaient autrefois des pigments de métaux lourds tels que le plomb, le cadmium, le cobalt et autres, ainsi que l'utilisation d'une fritte de verre de silicate de plomb dans le cadre de la composition. Ces dernières années, de nombreux pigments de métaux lourds ont été remplacés par des colorants moins toxiques. Dans les cas où les métaux lourds sont encore utilisés, une forme à faible toxicité peut être utilisée (par exemple, le chrome III au lieu du chrome VI).
Les filaments de tungstène enroulés continuent d'être fabriqués en enroulant le tungstène autour d'un molybdène ou d'un fil de mandrin en acier. Une fois la bobine formée et frittée, les mandrins sont dissous à l'aide soit d'acide chlorhydrique (pour l'acier), soit d'un mélange d'acide nitrique et sulfurique pour le molybdène. En raison des expositions potentielles aux acides, ce travail est couramment effectué dans des systèmes de hotte ou, plus récemment, dans des dissolveurs totalement fermés (en particulier lorsque le mélange nitrique/sulfurique est impliqué).
Les gaz de remplissage utilisés dans les lampes tungstène-halogène sont ajoutés aux lampes dans des systèmes totalement fermés avec peu de perte ou d'exposition. L'utilisation du bromure d'hydrogène présente ses propres problèmes en raison de sa nature corrosive. LEV doit être fourni et une tuyauterie résistante à la corrosion doit être utilisée pour les systèmes de distribution de gaz. Le fil de tungstène thorié (généralement 1 à 2% de thorium) est encore utilisé dans certains types de lampes. Cependant, le thorium sous forme de fil présente peu de risques.
Le dioxyde de soufre doit être soigneusement contrôlé. Le LEV doit être utilisé partout où le matériau est ajouté au processus. Les détecteurs de fuites peuvent également être utiles dans les zones de stockage. L'utilisation de bouteilles de gaz plus petites de 75 kg est préférable aux conteneurs plus grands de 1,000 XNUMX kg en raison des conséquences potentielles d'un rejet catastrophique.
L'irritation de la peau peut être un danger potentiel à cause des flux de soudure ou des résines utilisées dans le ciment de base. Certains systèmes de ciment de base utilisent du paraformaldéhyde au lieu de résines naturelles, ce qui entraîne une exposition potentielle au formaldéhyde pendant le durcissement du ciment de base.
Toutes les lampes utilisent un système de "gettering" chimique, dans lequel un matériau est enduit sur le filament avant l'assemblage. Le but du getter est de réagir avec et de piéger toute humidité ou oxygène résiduel dans la lampe après que la lampe est scellée. Les getters typiques comprennent le nitrure de phosphore et des mélanges de poudres métalliques d'aluminium et de zirconium. Bien que le getter de nitrure de phosphore soit relativement inoffensif, la manipulation de poudres métalliques d'aluminium et de zirconium peut présenter un risque d'inflammabilité. Les getters sont appliqués humides dans un solvant organique, mais si le matériau est renversé, les poudres métalliques sèches peuvent être enflammées par frottement. Les feux de métaux doivent être éteints avec des extincteurs spéciaux de classe D et ne peuvent pas être combattus avec de l'eau, de la mousse ou d'autres matériaux usuels. Un troisième type de getter comprend l'utilisation de phosphine ou de silane. Ces matériaux peuvent être inclus dans le remplissage de gaz de la lampe à faible concentration ou peuvent être ajoutés à une concentration élevée et « flashés » dans la lampe avant le remplissage de gaz final. Ces deux matériaux sont hautement toxiques; en cas d'utilisation à forte concentration, des systèmes totalement fermés avec des détecteurs de fuite et des alarmes doivent être utilisés sur le site.
Lampes et tubes à décharge
Les lampes à décharge, à la fois les modèles à basse et à haute pression, sont plus efficaces sur une base lumière par watt que les lampes à incandescence. Les lampes fluorescentes sont utilisées depuis de nombreuses années dans les bâtiments commerciaux et sont de plus en plus utilisées à la maison. Récemment, des versions compactes de la lampe fluorescente ont été développées spécifiquement pour remplacer la lampe à incandescence.
Les lampes à décharge à haute pression sont utilisées depuis longtemps pour l'éclairage des grandes surfaces et des rues. Des versions à faible puissance de ces produits sont également en cours de développement.
Lampes fluorescentes
Les lampes fluorescentes portent le nom de la poudre fluorescente utilisée pour recouvrir l'intérieur du tube de verre. Cette poudre absorbe la lumière ultraviolette produite par la vapeur de mercure utilisée dans la lampe, la convertit et la réémet sous forme de lumière visible.
Le verre utilisé dans cette lampe est similaire à celui utilisé dans les lampes à incandescence, utilisant du verre à la chaux pour le tube et du verre au plomb pour les montures à chaque extrémité. Deux familles différentes de luminophores sont actuellement utilisées. Les halophosphates, à base de chloro-fluoro-phosphate de calcium ou de strontium, sont les luminophores les plus anciens, largement utilisés au début des années 1950 lorsqu'ils ont remplacé les luminophores à base de silicate de béryllium. La deuxième famille de luminophores comprend des luminophores fabriqués à partir de terres rares, comprenant généralement de l'yttrium, du lanthane et autres. Ces luminophores de terres rares ont généralement un spectre d'émission étroit, et un mélange de ceux-ci est utilisé - généralement un luminophore rouge, bleu et vert.
Les luminophores sont mélangés avec un système de liant, mis en suspension soit dans un mélange organique, soit dans un mélange eau/ammoniaque et enduits à l'intérieur du tube de verre. La suspension organique utilise de l'acétate de butyle, de l'acétate de butyle/naphta ou du xylène. En raison des réglementations environnementales, les suspensions à base d'eau remplacent celles à base organique. Une fois le revêtement appliqué, il est séché sur le tube et le tube est chauffé à haute température pour éliminer le liant.
Un support est fixé à chaque extrémité de la lampe. Le mercure est maintenant introduit dans la lampe. Cela peut être fait de différentes manières. Bien que dans certaines régions, le mercure soit ajouté manuellement, la méthode prédominante est automatique, avec la lampe montée verticalement ou horizontalement. Sur les machines verticales, la tige de montage à une extrémité de la lampe est fermée. Ensuite, du mercure est déposé dans la lampe par le haut, la lampe est remplie d'argon à basse pression et la tige de montage supérieure est scellée, scellant complètement la lampe. Sur les machines horizontales, le mercure est introduit d'un côté, tandis que la lampe est épuisée de l'autre côté. L'argon est à nouveau ajouté à la pression appropriée et les deux extrémités de la lampe sont scellées. Une fois scellés, les capuchons ou les bases sont ajoutés aux extrémités, et les fils conducteurs sont ensuite soit soudés soit soudés aux contacts électriques.
Deux autres voies possibles d'introduction de vapeur de mercure peuvent être utilisées. Dans un système, le mercure est contenu sur une bande imprégnée de mercure, qui libère le mercure lorsque la lampe est allumée pour la première fois. Dans l'autre système, du mercure liquide est utilisé, mais il est contenu dans une capsule de verre fixée à la monture. La capsule est rompue après que la lampe a été scellée et épuisée, libérant ainsi le mercure.
Les lampes fluorescentes compactes sont des versions plus petites de la lampe fluorescente standard, incluant parfois l'électronique du ballast en tant que composant intégral de la lampe. Les fluorescents compacts utilisent généralement un mélange de luminophores de terres rares. Certaines lampes compactes intègrent un starter à lueur contenant de petites quantités de matières radioactives pour faciliter le démarrage de la lampe. Ces starters à lueur utilisent généralement du krypton-85, de l'hydrogène-3, du prométhium-147 ou du thorium naturel pour fournir ce qu'on appelle un courant d'obscurité, ce qui aide la lampe à démarrer plus rapidement. Ceci est souhaitable du point de vue du consommateur, où le client souhaite que la lampe s'allume immédiatement, sans scintillement.
Dangers et précautions
La fabrication des lampes fluorescentes a connu un nombre considérable de changements. L'utilisation précoce d'un phosphore contenant du béryllium a été interrompue en 1949, éliminant un risque respiratoire important lors de la production et de l'utilisation du phosphore. Dans de nombreuses opérations, les suspensions de phosphore à base d'eau ont remplacé les suspensions organiques dans le revêtement des lampes fluorescentes, réduisant l'exposition des travailleurs ainsi que l'émission de COV dans l'environnement. Les suspensions à base d'eau impliquent une exposition minimale à l'ammoniac, en particulier lors du mélange des suspensions.
Le mercure reste le matériau le plus préoccupant lors de la fabrication des lampes fluorescentes. Bien que les expositions soient relativement faibles sauf autour des machines d'échappement, il existe un potentiel d'exposition importante pour les travailleurs postés autour de la machine d'échappement, pour les mécaniciens travaillant sur ces machines et pendant les opérations de nettoyage. Des équipements de protection individuelle, tels que des combinaisons et des gants pour éviter ou limiter l'exposition et, si nécessaire, une protection respiratoire, doivent être utilisés, en particulier lors des activités de maintenance et de nettoyage. Un programme de surveillance biologique, y compris l'analyse d'urine au mercure, devrait être mis en place pour les sites de fabrication de lampes fluorescentes.
Les deux systèmes de phosphore actuellement en production utilisent des matériaux considérés comme ayant une toxicité relativement faible. Alors que certains des additifs aux luminophores parents (tels que le baryum, le plomb et le manganèse) ont des limites d'exposition établies par diverses agences gouvernementales, ces composants sont généralement présents en pourcentages relativement faibles dans les compositions.
Les résines phénol-formaldéhyde sont utilisées comme isolants électriques dans les embouts des lampes. Le ciment comprend généralement des résines naturelles et synthétiques, qui peuvent comprendre des irritants cutanés tels que l'hexaméthylène-tétramine. L'équipement de mélange et de manipulation automatisé limite le potentiel de contact cutané avec ces matériaux, limitant ainsi le potentiel d'irritation cutanée.
Lampes au mercure à haute pression
Les lampes au mercure à haute pression comprennent deux types similaires : celles qui n'utilisent que du mercure et celles qui utilisent un mélange de mercure et d'une variété d'halogénures métalliques. La conception de base des lampes est similaire. Les deux types utilisent un tube à arc en quartz qui contiendra le mercure ou le mélange mercure/halogénure. Ce tube à arc est ensuite enfermé dans une enveloppe extérieure en verre borosilicaté dur et une base métallique est ajoutée pour fournir des contacts électriques. La gaine extérieure peut être transparente ou recouverte d'un matériau diffusant ou d'un luminophore pour modifier la couleur de la lumière.
Lampes au mercure ne contiennent que du mercure et de l'argon dans le tube à arc en quartz de la lampe. Le mercure, sous haute pression, génère de la lumière à haute teneur en bleu et ultraviolet. Le tube à arc en quartz est complètement transparent à la lumière UV et, dans le cas où la gaine extérieure est cassée ou retirée, constitue une puissante source de lumière UV qui peut provoquer des brûlures de la peau et des yeux chez les personnes exposées. Bien que la conception typique de la lampe au mercure continue de fonctionner si la gaine extérieure est retirée, les fabricants proposent également certains modèles dans une conception fusionnée qui cessera de fonctionner si la gaine est cassée. Lors d'une utilisation normale, le verre borosilicaté de la gaine extérieure absorbe un pourcentage élevé de la lumière UV, de sorte que la lampe intacte ne présente aucun danger.
En raison de la forte teneur en bleu du spectre de la lampe à mercure, l'intérieur de l'enveloppe extérieure est fréquemment revêtu d'un luminophore tel que le phosphate de vanadate d'yttrium ou un luminophore similaire renforçant le rouge.
Lampes aux halogénures métalliques contiennent également du mercure et de l'argon dans le tube à arc, mais ajoutent des halogénures métalliques (généralement un mélange de sodium et de scandium, éventuellement avec d'autres). L'ajout des halogénures métalliques améliore la sortie de lumière rouge de la lampe, produisant une lampe qui a un spectre lumineux plus équilibré.
Dangers et précautions
Outre le mercure, les matériaux potentiellement dangereux utilisés dans la production de lampes au mercure à haute pression comprennent les matériaux de revêtement utilisés sur les enveloppes extérieures et les additifs halogénures utilisés dans les lampes aux halogénures métalliques. Un matériau de revêtement est un simple diffuseur, le même que celui utilisé dans les lampes à incandescence. Un autre est un luminophore correcteur de couleur, le vanadate d'yttrium ou le phosphate de vanadate d'yttrium. Bien que similaire au pentoxyde de vanadium, le vanadate est considéré comme moins toxique. L'exposition aux halogénures n'est normalement pas significative, car les halogénures réagissent dans l'air humide et doivent être maintenus au sec et sous une atmosphère inerte pendant la manipulation et l'utilisation. De même, bien que le sodium soit un métal très réactif, il doit lui aussi être manipulé sous atmosphère inerte pour éviter d'oxyder le métal.
Lampes au sodium
Deux types de lampes au sodium sont actuellement produites. Les lampes à basse pression ne contiennent que du sodium métallique comme source d'émission de lumière et produisent une lumière très jaune. Les lampes au sodium à haute pression utilisent du mercure et du sodium pour générer une lumière plus blanche.
Lampes au sodium basse pression avoir un tube de verre, qui contient le sodium métallique, enfermé dans un second tube de verre.
Lampes au sodium haute pression contiennent un mélange de mercure et de sodium dans un tube à arc en céramique d'alumine de haute pureté. Outre la composition du tube à arc, la construction de la lampe au sodium à haute pression est essentiellement la même que celle des lampes au mercure et aux halogénures métalliques.
Dangers et précautions
Il existe peu de risques uniques lors de la fabrication de lampes au sodium à haute ou basse pression. Dans les deux types de lampes, le sodium doit être maintenu au sec. Le sodium métallique pur réagira violemment avec l'eau, produisant de l'hydrogène gazeux et suffisamment de chaleur pour provoquer une inflammation. Le sodium métallique laissé dans l'air réagit avec l'humidité de l'air, produisant une couche d'oxyde sur le métal. Pour éviter cela, le sodium est généralement manipulé en boîte à gants, sous atmosphère sèche d'azote ou d'argon. Pour les sites fabriquant des lampes au sodium haute pression, des précautions supplémentaires sont nécessaires pour manipuler le mercure, à l'instar des sites fabriquant des lampes au mercure haute pression.
Questions environnementales et de santé publique
L'élimination des déchets et/ou le recyclage des lampes contenant du mercure est un problème qui a reçu une grande attention dans de nombreuses régions du monde au cours des dernières années. Bien qu'il s'agisse au mieux d'une opération "rentable" du point de vue des coûts, la technologie existe actuellement pour récupérer le mercure des lampes fluorescentes et à décharge à haute pression. Le recyclage des matériaux des lampes à l'heure actuelle est plus précisément décrit comme une récupération, car les matériaux des lampes sont rarement retraités et utilisés dans la fabrication de nouvelles lampes. Généralement, les pièces métalliques sont envoyées à des marchands de ferraille. Le verre récupéré peut être utilisé pour fabriquer de la fibre de verre ou des blocs de verre ou utilisé comme agrégat dans le pavage de ciment ou d'asphalte. Le recyclage peut être l'alternative la moins coûteuse, selon l'emplacement et la disponibilité des options de recyclage et d'élimination des déchets dangereux ou spéciaux.
Les ballasts utilisés dans les installations de lampes fluorescentes contenaient auparavant des condensateurs qui utilisaient des PCB comme diélectrique. Bien que la fabrication de ballasts contenant des PCB ait été interrompue, bon nombre des ballasts plus anciens peuvent encore être utilisés en raison de leur longue durée de vie. L'élimination des ballasts contenant des PCB peut être réglementée et peut nécessiter une élimination en tant que déchet spécial ou dangereux.
La fabrication du verre, en particulier des verres borosilicatés, peut être une source importante de NOx émission dans l'atmosphère. Récemment, l'oxygène pur au lieu de l'air a été utilisé avec des brûleurs à gaz comme moyen de réduire le NOx .