Лампы состоят из двух основных типов: лампы накаливания (или накаливания) и газоразрядные лампы. Основные компоненты обоих типов ламп включают стекло, различные куски металлической проволоки, заполняющий газ и, как правило, цоколь. В зависимости от производителя лампы эти материалы либо изготавливаются внутри компании, либо могут быть получены от стороннего поставщика. Типичный производитель ламп изготавливает свои собственные стеклянные колбы, но может приобретать другие детали и стекла у специализированных производителей или других компаний, производящих лампы.
В зависимости от типа лампы могут использоваться различные стекла. В лампах накаливания и люминесцентных лампах обычно используется известково-натриевое стекло. В высокотемпературных лампах будет использоваться боросиликатное стекло, в то время как в газоразрядных лампах высокого давления будет использоваться либо кварц, либо керамика для дуговой трубки и боросиликатное стекло для внешней оболочки. Свинцовое стекло (содержащее примерно от 20 до 30% свинца) обычно используется для герметизации концов колб ламп.
Провода, используемые в качестве опор или соединителей в конструкции лампы, могут быть изготовлены из различных материалов, включая сталь, никель, медь, магний и железо, а нити накала - из вольфрама или вольфрам-ториевого сплава. Одним из важнейших требований к опорному проводу является то, что он должен соответствовать характеристикам расширения стекла в том месте, где провод проходит через стекло, чтобы проводить электрический ток для лампы. Часто в этом приложении используются многокомпонентные отводящие провода.
Основания (или колпачки) обычно изготавливаются из латуни или алюминия, причем латунь является предпочтительным материалом, когда требуется использование на открытом воздухе.
Лампы накаливания или лампы накаливания
Лампы накаливания или лампы накаливания являются старейшим типом ламп, которые все еще производятся. Они получили свое название от того, как эти лампы излучают свет: путем нагрева проволочной нити до температуры, достаточно высокой, чтобы заставить ее светиться. Хотя можно изготовить лампу накаливания практически с любым типом нити накала (ранние лампы использовали углерод), сегодня в большинстве таких ламп используется нить накала из вольфрама.
Вольфрамовые лампы. Обычный бытовой вариант этих ламп состоит из стеклянной колбы с вольфрамовой нитью накаливания. Электричество подается к нити накала по проводам, поддерживающим нить накала и проходящим через крепление стекла, припаянное к колбе. Затем провода подсоединяются к металлическому основанию, при этом один провод припаивается к центральному отверстию основания, а другой подключается к резьбовой оболочке. Несущие провода имеют специальный состав, поэтому они имеют те же характеристики расширения, что и стекло, предотвращая протечки, когда лампы нагреваются во время использования. Стеклянная колба обычно изготавливается из известкового стекла, а оправа из свинцового стекла. Двуокись серы часто используется при подготовке оправы. Диоксид серы действует как смазка при сборке высокоскоростной лампы. В зависимости от конструкции лампы колба может содержать вакуум или может использовать заполняющий газ аргон или какой-либо другой нереакционноспособный газ.
Лампы этой конструкции продаются с колбами из прозрачного стекла, матовыми колбами и колбами с покрытием из различных материалов. Матовые лампы и лампы, покрытые белым материалом (часто глиной или аморфным кремнеземом), используются для уменьшения бликов от нити накала, характерной для прозрачных ламп. Лампы также покрыты различными другими декоративными покрытиями, в том числе цветной керамикой и лаком снаружи колбы и другими цветами, такими как желтый или розовый, внутри колбы.
В то время как типичная бытовая форма является наиболее распространенной, лампы накаливания могут быть изготовлены во многих формах колб, включая трубчатые, шаровые и рефлекторные, а также во многих размерах и мощности, от сверхминиатюрных до больших сценических/студийных ламп.
Вольфрамово-галогенные лампы. Одной из проблем конструкции стандартной лампы накаливания с вольфрамовой нитью является то, что вольфрам испаряется во время использования и конденсируется на более холодной стеклянной стенке, затемняя ее и уменьшая светопропускание. Добавление галогена, такого как бромистый водород или бромистый метил, в наполняющий газ устраняет эту проблему. Галоген вступает в реакцию с вольфрамом, предотвращая его конденсацию на стеклянной стенке. Когда лампа остынет, вольфрам снова осядет на нить накала. Поскольку эта реакция лучше всего протекает при более высоком давлении лампы, вольфрамово-галогенные лампы обычно содержат газ при давлении в несколько атмосфер. Обычно галоген добавляют как часть заполняющего газа лампы, обычно в концентрации 2% или меньше.
В вольфрамово-галогенных лампах также могут использоваться колбы из кварца вместо стекла. Кварцевые лампы могут выдерживать более высокое давление, чем стеклянные. Однако кварцевые лампы представляют потенциальную опасность, поскольку кварц прозрачен для ультрафиолетового излучения. Хотя вольфрамовая нить излучает относительно мало ультрафиолета, длительное воздействие на близком расстоянии может вызвать покраснение кожи и раздражение глаз. Фильтрация света через защитное стекло значительно уменьшит количество ультрафиолета, а также обеспечит защиту от горячего кварца на случай, если лампа разорвется во время использования.
Опасности и меры предосторожности
В целом, самые большие опасности при производстве ламп, независимо от типа продукции, связаны с опасностями автоматизированного оборудования и обращения со стеклянными колбами, лампами и другими материалами. Порезы от стекла и проникновение в работающее оборудование являются наиболее распространенными причинами несчастных случаев; проблемы обращения с материалами, такие как повторяющиеся движения или травмы спины, вызывают особую озабоченность.
В лампах часто используется свинцовый припой. Для ламп, используемых при более высоких температурах, можно использовать припои, содержащие кадмий. При автоматизированной сборке ламп воздействие обоих этих припоев минимально. Там, где выполняется ручная пайка, например, при ремонте или полуавтоматических операциях, следует контролировать воздействие свинца или кадмия.
Потенциальное воздействие опасных материалов при производстве ламп неуклонно снижалось с середины 20-го века. Раньше при производстве ламп накаливания большое количество ламп травили плавиковой кислотой или растворами бифторидных солей для получения матовой лампы. Это в значительной степени было заменено использованием малотоксичного глиняного покрытия. Хотя фтористоводородная кислота не была полностью заменена, использование плавиковой кислоты было значительно сокращено. Это изменение снизило риск ожогов кожи и раздражения легких из-за кислоты. Керамические цветные покрытия, используемые снаружи некоторых ламповых изделий, ранее содержали пигменты тяжелых металлов, таких как свинец, кадмий, кобальт и другие, а также использовали фритту из свинцово-силикатного стекла как часть композиции. В последние годы многие пигменты, содержащие тяжелые металлы, были заменены менее токсичными красителями. В тех случаях, когда тяжелые металлы все еще используются, можно использовать менее токсичную форму (например, хром III вместо хрома VI).
Спиральные вольфрамовые нити по-прежнему изготавливаются путем намотки вольфрама на молибденовую или стальную проволоку оправки. После формирования и спекания катушки оправки растворяются либо соляной кислотой (для стали), либо смесью азотной и серной кислот для молибдена. Из-за потенциального воздействия кислоты эта работа обычно выполняется в вытяжных системах или, в последнее время, в полностью закрытых диссольверах (особенно там, где задействована азотно-серная смесь).
Наполняющие газы, используемые в вольфрамово-галогенных лампах, добавляются в лампы в полностью закрытых системах с небольшими потерями или воздействием. Использование бромистого водорода создает свои проблемы из-за его коррозионной природы. Должен быть предусмотрен LEV, а для систем подачи газа должны использоваться устойчивые к коррозии трубопроводы. Торированная вольфрамовая проволока (обычно с содержанием тория от 1 до 2%) до сих пор используется в некоторых типах ламп. Тем не менее, торий в проволочной форме представляет небольшой риск.
Диоксид серы необходимо тщательно контролировать. LEV следует использовать везде, где материал добавляется в процесс. Детекторы утечек также могут быть полезны в складских помещениях. Использование меньших 75-килограммовых газовых баллонов предпочтительнее больших 1,000-килограммовых контейнеров из-за потенциальных последствий катастрофического выброса.
Раздражение кожи может быть потенциально опасным из-за паяльных флюсов или смол, используемых в базовом цементе. В некоторых цементных базах вместо натуральных смол используется параформальдегид, что приводит к потенциальному воздействию формальдегида во время отверждения базового цемента.
Во всех лампах используется химическая «геттерная» система, в которой материал наносится на нить накала перед сборкой. Назначение газопоглотителя состоит в том, чтобы вступать в реакцию с любой остаточной влагой или кислородом в лампе после ее герметизации и удалять их. Типичные геттеры включают нитрид фосфора и смеси металлических порошков алюминия и циркония. В то время как геттер из нитрида фосфора довольно безвреден в использовании, обращение с металлическими порошками алюминия и циркония может быть опасным с точки зрения воспламенения. Геттеры наносятся влажными в органическом растворителе, но если материал просыпается, сухие металлические порошки могут воспламениться от трения. Пожары металлов следует тушить специальными огнетушителями класса D, их нельзя тушить водой, пеной или другими обычными материалами. Третий тип геттера включает использование фосфина или силана. Эти материалы могут быть включены в газовое наполнение лампы в низкой концентрации или могут быть добавлены в высокой концентрации и «вспыхнуты» в лампе перед окончательным заполнением газом. Оба эти материала очень токсичны; при использовании в высоких концентрациях на площадке следует использовать полностью закрытые системы с детекторами утечек и сигнализацией.
Газоразрядные лампы и трубки
Газоразрядные лампы, как модели низкого, так и высокого давления, более эффективны в соотношении свет на ватт, чем лампы накаливания. Люминесцентные лампы уже много лет используются в коммерческих зданиях и находят все более широкое применение в домашних условиях. Недавно были разработаны компактные версии люминесцентных ламп специально для замены ламп накаливания.
Газоразрядные лампы высокого давления уже давно используются для освещения больших территорий и улиц. Также разрабатываются версии этих продуктов с меньшей мощностью.
Флюоресцентные лампы
Люминесцентные лампы названы в честь люминесцентного порошка, используемого для покрытия внутренней части стеклянной трубки. Этот порошок поглощает ультрафиолетовый свет, создаваемый парами ртути, используемыми в лампе, и преобразует и повторно излучает его в виде видимого света.
Стекло, используемое в этой лампе, аналогично тому, которое используется в лампах накаливания, с использованием известкового стекла для трубки и свинцового стекла для креплений на каждом конце. В настоящее время используются два разных семейства люминофоров. Галофосфаты на основе хлорфторфосфата кальция или стронция являются более старыми люминофорами, получившими широкое распространение в начале 1950-х годов, когда они заменили люминофоры на основе силиката бериллия. Второе семейство люминофоров включает люминофоры, изготовленные из редкоземельных элементов, обычно включая иттрий, лантан и другие. Эти редкоземельные люминофоры обычно имеют узкий спектр излучения, и используется их смесь — обычно красный, синий и зеленый люминофор.
Люминофоры смешивают со связующей системой, суспендируют либо в органической смеси, либо в смеси вода/аммиак и наносят на внутреннюю часть стеклянной трубки. В органической суспензии используется бутилацетат, бутилацетат/нафта или ксилол. Из-за экологических норм суспензии на водной основе заменяют суспензии на органической основе. После нанесения покрытия его высушивают на трубке, а трубку нагревают до высокой температуры для удаления связующего.
К каждому концу лампы прикреплено по одному креплению. Теперь в лампу вводят ртуть. Это можно сделать разными способами. Хотя в некоторых районах ртуть добавляется вручную, преобладает автоматический способ, когда лампа устанавливается либо вертикально, либо горизонтально. У вертикальных машин стержень крепления на одном конце лампы закрыт. Затем сверху в лампу закапывают ртуть, лампу наполняют аргоном под низким давлением и герметизируют верхнее крепление, полностью герметизируя лампу. В горизонтальных машинах ртуть вводится с одной стороны, а выпуск лампы — с другой. Снова добавляется аргон до надлежащего давления, и оба конца лампы запаиваются. После герметизации к концам добавляются колпачки или основания, а затем провода либо припаиваются, либо привариваются к электрическим контактам.
Можно использовать два других возможных способа введения паров ртути. В одной системе ртуть содержится на полоске, пропитанной ртутью, которая высвобождает ртуть при первом включении лампы. В другой системе используется жидкая ртуть, но она содержится в стеклянной капсуле, прикрепленной к оправе. Капсула разрывается после того, как лампа была запечатана и исчерпана, что приводит к высвобождению ртути.
Компактные люминесцентные лампы представляют собой уменьшенные версии стандартных люминесцентных ламп, иногда включающие электронный балласт как неотъемлемый компонент лампы. В компактных флуоресцентных лампах обычно используется смесь редкоземельных люминофоров. Некоторые компактные лампы включают стартер накаливания, содержащий небольшое количество радиоактивных материалов, чтобы облегчить запуск лампы. Эти стартеры накаливания обычно используют криптон-85, водород-3, прометий-147 или природный торий, чтобы обеспечить так называемый темновой ток, который помогает лампе загореться быстрее. Это желательно с точки зрения потребителя, когда потребитель хочет, чтобы лампа включалась немедленно, без мерцания.
Опасности и меры предосторожности
Производство люминесцентных ламп претерпело значительные изменения. Раннее использование бериллийсодержащего люминофора было прекращено в 1949 году, что устранило значительную опасность для органов дыхания при производстве и использовании люминофора. На многих предприятиях суспензии люминофоров на водной основе заменили органические суспензии в покрытии люминесцентных ламп, снизив воздействие на рабочих, а также уменьшив выброс ЛОС в окружающую среду. Суспензии на водной основе предполагают некоторое минимальное воздействие аммиака, особенно во время смешивания суспензий.
Ртуть остается материалом, вызывающим наибольшую озабоченность при изготовлении люминесцентных ламп. Несмотря на то, что воздействие относительно низкое, за исключением зоны вокруг вытяжных машин, существует возможность значительного воздействия на рабочих, находящихся вокруг вытяжной машины, на механиков, работающих на этих машинах, и во время операций по очистке. Следует использовать средства индивидуальной защиты, такие как комбинезоны и перчатки, чтобы избежать или ограничить воздействие, и, при необходимости, средства защиты органов дыхания, особенно во время работ по техническому обслуживанию и очистке. На предприятиях по производству люминесцентных ламп должна быть разработана программа биологического мониторинга, включая анализ мочи на содержание ртути.
В двух производимых в настоящее время люминофорных системах используются материалы, которые считаются относительно малотоксичными. В то время как некоторые добавки к исходным люминофорам (такие как барий, свинец и марганец) имеют пределы воздействия, установленные различными правительственными учреждениями, эти компоненты обычно присутствуют в композициях в относительно низких процентах.
Фенолформальдегидные смолы используются в качестве электрических изоляторов в торцевых цоколях ламп. Цемент обычно включает натуральные и синтетические смолы, которые могут включать раздражители кожи, такие как гексаметилентетрамин. Автоматизированное оборудование для смешивания и обработки ограничивает возможность контакта этих материалов с кожей, тем самым ограничивая вероятность раздражения кожи.
Ртутные лампы высокого давления
Ртутные лампы высокого давления включают два похожих типа: те, в которых используется только ртуть, и те, в которых используется смесь ртути и различных галогенидов металлов. Принципиальная схема светильников аналогична. В обоих типах используется кварцевая дуговая трубка, содержащая ртуть или смесь ртути и галогенидов. Затем эту дуговую трубку заключают во внешнюю оболочку из твердого боросиликатного стекла, а для обеспечения электрических контактов добавляется металлическое основание. Внешняя оболочка может быть прозрачной или покрыта рассеивающим материалом или люминофором для изменения цвета света.
Ртутные лампы содержат только ртуть и аргон в кварцевой дуговой трубке лампы. Ртуть под высоким давлением генерирует свет с высоким содержанием синего и ультрафиолетового излучения. Кварцевая дуговая трубка полностью прозрачна для УФ-излучения, и в случае, если внешняя оболочка сломана или удалена, она представляет собой мощный источник УФ-излучения, который может вызвать ожоги кожи и глаз у тех, кто подвергается воздействию. Хотя типичная конструкция ртутной лампы будет продолжать работать, если снять внешнюю оболочку, производители также предлагают некоторые модели с плавким предохранителем, которые перестанут работать, если оболочка сломается. При обычном использовании боросиликатное стекло внешней оболочки поглощает высокий процент УФ-излучения, поэтому неповрежденная лампа не представляет опасности.
Из-за высокого содержания синего в спектре ртутной лампы внутренняя часть внешней оболочки часто покрывается люминофором, таким как фосфат ванадата иттрия или аналогичный люминофор, усиливающий красный цвет.
Металлогалогенные лампы также содержат ртуть и аргон в дуговой трубке, но добавляют галогениды металлов (обычно смесь натрия и скандия, возможно, с другими). Добавление галогенидов металлов увеличивает выход красного света лампы, создавая лампу с более сбалансированным световым спектром.
Опасности и меры предосторожности
Помимо ртути, к потенциально опасным материалам, используемым в производстве ртутных ламп высокого давления, относятся материалы покрытия, используемые на внешних оболочках, и галогенидные добавки, используемые в металлогалогенных лампах. Один из материалов покрытия представляет собой простой рассеиватель, такой же, как в лампах накаливания. Другой - цветокорректирующий люминофор, ванадат иттрия или фосфат ванадата иттрия. Хотя ванадат похож на пятиокись ванадия, он считается менее токсичным. Воздействие галогенидных материалов обычно незначительно, поскольку галогениды реагируют во влажном воздухе и должны храниться сухими и в инертной атмосфере во время обращения и использования. Точно так же, хотя натрий является высокореактивным металлом, с ним также необходимо обращаться в инертной атмосфере, чтобы избежать окисления металла.
Натриевые лампы
В настоящее время выпускаются два типа натриевых ламп. Лампы низкого давления содержат только металлический натрий в качестве источника света и излучают очень желтый свет. Натриевые лампы высокого давления используют ртуть и натрий для получения более белого света.
Натриевые лампы низкого давления имеют одну стеклянную трубку, содержащую металлический натрий, заключенную во вторую стеклянную трубку.
Натриевые лампы высокого давления содержат смесь ртути и натрия в дуговой трубке из высокочистого керамического оксида алюминия. За исключением состава дуговой трубки, конструкция натриевой лампы высокого давления практически такая же, как у ртутных и металлогалогенных ламп.
Опасности и меры предосторожности
Существует несколько уникальных опасностей при производстве натриевых ламп высокого или низкого давления. В обоих типах ламп натрий должен быть сухим. Чистый металлический натрий будет бурно реагировать с водой, выделяя газообразный водород и выделяя достаточно тепла, чтобы вызвать воспламенение. Металлический натрий, оставленный в воздухе, будет реагировать с влагой воздуха, образуя оксидное покрытие на металле. Чтобы избежать этого, с натрием обычно работают в перчаточном боксе в атмосфере сухого азота или аргона. На предприятиях, производящих натриевые лампы высокого давления, необходимы дополнительные меры предосторожности при обращении с ртутью, аналогичные тем, которые применяются на предприятиях, производящих ртутные лампы высокого давления.
Вопросы окружающей среды и общественного здравоохранения
Утилизация отходов и/или переработка ртутьсодержащих ламп — это вопрос, которому в течение последних нескольких лет уделяется большое внимание во многих регионах мира. Хотя с точки зрения затрат это в лучшем случае «безубыточная» операция, в настоящее время существует технология регенерации ртути из люминесцентных ламп и газоразрядных ламп высокого давления. Переработка материалов для ламп в настоящее время более точно описывается как рекультивация, поскольку материалы для ламп редко перерабатываются и используются для изготовления новых ламп. Как правило, металлические детали отправляются в металлолом. Восстановленное стекло можно использовать для изготовления стекловолокна или стеклянных блоков или использовать в качестве заполнителя в цементном или асфальтовом дорожном покрытии. Переработка может быть более дешевой альтернативой, в зависимости от местоположения и наличия вариантов переработки и утилизации опасных или специальных отходов.
Балласты, используемые в установках люминесцентных ламп, ранее содержали конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика использовались ПХД. Хотя производство балластов, содержащих ПХБ, было прекращено, многие из старых балластов все еще могут использоваться из-за их длительного ожидаемого срока службы. Утилизация балластов, содержащих ПХД, может регулироваться и может требовать утилизации как особых или опасных отходов.
Производство стекла, особенно боросиликатного стекла, может быть значительным источником NO.x выброс в атмосферу. В последнее время в газовых горелках вместо воздуха используется чистый кислород в качестве средства снижения выбросов NO.x выбросы.