|
1913. Volfrámszálas izzólámpa
A volfrámszálas izzólámpa kifejlesztését hosszú kutatási munka előzte meg, amelynek két fő területe egyrészt a megfelelő minőségű izzószál megtalálása, másrészt az izzószálat körülvevő közeg kiválasztása volt. A XX. század elejére nyilvánvalóvá váltak a vákuumlámpák előnyei az egyéb világítási eszközökkel szemben. A szénszálas izzólámpát egyre szélesebb körben alkalmazták, de a felmerülő technikai problémák miatt a kutatók törekvése egyre inkább a fémszálas vákuum izzólámpák fejlesztésére irányult. Ehhez magas olvadáspontú fémből készült, vékony szálakra volt szükség, ami akkor komoly technológiai kihívásnak bizonyult. Először ozmiumból (olvadáspont: 2700 °C) sikerült használható izzószálat előállítani, ám az ozmium törékenysége miatt az ilyen lámpák nem maradtak sokáig forgalomban. Néhány évvel később a kissé gazdaságtalanabb, ám jóval szívósabb tantálszálas izzólámpák válthatták fel ezeket, ám a tantál is hamarosan kiszorult a világításból, bár speciális alkalmazásokban (pl. adócsövek) még sokáig használták.
Nyilvánvaló volt, hogy a fémszálas izzólámpák volfrámszállal működnének a leggazdaságosabban, ám sokáig megoldatlan volt a volfrámgyártás néhány technológiai problémája. A volfrámot por alakban nyerték a különböző ércekből, magas olvadáspontja miatt azonban nem lehetett tömbbé olvasztani, mert nem létezett kellően magas olvadáspontú tégely, amelyben az olvasztás kivitelezhető lett volna.
Az első volfrámszálas izzólámpákat Just és Hanaman 1904-es szabadalma szerint kezdték gyártani az Egyesült Izzólámpa és Villamossági Rt.-ben 1905-ben. Az eljárás lényege az volt, hogy szénszálra volfrám-oxi-kloridot vittek fel kevés hidrogéngáz jelenlétében, a szálat elektromos áram keresztülbocsátásával magas hőmérsékletnek tették ki; a szénszálra lecsapódott a fém volfrám, majd a szenet teljesen helyettesítette, és a folyamat végén tiszta volfrámszál maradt. Az így előállított szál hátránya az egyenetlen vastagság és a törékenység volt, de ennek ellenére az előzőeknél szebb (fehérebb) fényének és gazdaságosságának köszönhetően népszerűvé vált az ebből készült izzólámpa. Az igazi áttörést William D. Coolidge porkohászati és húzási műveletekre épülő megoldása jelentette, amellyel jó minőségű volfrámdrótot lehetett gyártani. Az Egyesült Izzólámpa és Villamossági Rt. hamarosan megszerezte a gyártási jogot, és nem sokkal később nevének megváltoztatásával is elkötelezte magát a volfrámszálas lámpák gyártása mellett. A TUNGSRAM szóvédjegyet 1909-ben jegyeztették be. A szó a volfrám svéd eredetű, angolba átvett nevéből, a "tungsten"-ből és a német "wolfram"-ból alakult ki.
Kezdetben "egyenes fonalú" volfrámszálakat alkalmaztak a vákuumlámpák gyártásához, majd a folyamatos fejlesztésnek köszönhetően változott mind az izzószálak kiképzése, mind az azt körülvevő gáz összetétele.
1913-ban, Coolidge eljárásának adaptálása után a Tungsram teljesen áttért a húzott volfrámszálas lámpák gyártására. A tapasztalat azt mutatta, hogy a legkülönbözőbb volfrámszálak is tönkrementek, ha kb. 1/10 részük elpárolgott. A vákuumlámpa élettartamát ez a párolgási folyamat szabja meg. Szükség van arra, hogy a lámpakészítésnél az üvegfelületekről az adszorbeált gázokat hevítéssel és elszívással eltávolítsák, és a kész lámpában maradó kb. 1/1000 Hgmm nyomású gázmaradékot getteranyagokkal - például az izzószálról elpárologtatott 0,1-0,2 mg vörösfoszforral - az első bekapcsolásnál megkössék. Még ha az egész gázmaradék a volfrám izzószálat egyenletesen fogyasztó O2-gáz volna is, alig csökkentené 1 órával egy 1000 órás izzólámpa élettartamát. Azonban a maradék vízgőz eltávolítása ennél sokkal fontosabb. A vízgőz molekulákból az izzó volfrámszálon elpárolgó volfrám-oxid és atomos hidrogén keletkezik:
W + 2H2O = WO2 + 4H (az izzószálon).
Az üvegburára lerakódó volfrám-oxidot a hidrogénatomok könnyen redukálják:
WO2 + 4H = W + 2H2O (az üvegburán),
így újra az izzószálat oxidáló vízgőz molekulákat alkotnak. A molekulák gyors mozgása folytán ez az ún. Langmuir-körfolyamat még 1/1000 Hgmm-nél jóval kisebb vízgőznyomásnál is olyan gyorsan és sokszor ismétlődik, hogy az izzószálat néhány óra alatt 1/10 részével megvékonyíthatja.
Az izzólámpák gazdaságosabbá tételéhez szükség volt az izzószál hőmérsékletének emelésére. Ennek akadálya az volt, hogy a hőmérsékletet emelve túlságosan megnő a volfrámszál párolgási sebessége. Kézenfekvő megoldás lett volna inert védőgáz alkalmazása a vákuum helyett.
Millner Tivadar Az elektromos világítás kémiai problémái című tanulmányában a következőket írja erről: "Régóta ismeretes, hogy a testek párolgásának sebességét a védőgáz erősen csökkenti. Ezért ha a vákuumlámpát alkalmas gázzal megtöltjük, és izzószálát légüres tér helyett gáztérben hevítjük, az izzószál hőmérsékletét és ezzel fényszolgáltatását a lámpa élettartamának csökkenése nélkül lényegesen emelhetjük. Ezzel azonban a lámpa még sem lesz gazdaságosabbá, hanem romlik, mert az izzószálat gáztérben csak úgy tarthatjuk magas hőmérsékleten, ha a kisugárzott energián kívül azt a nagy mennyiségű meleget is pótoljuk, amelyet róla a gáz elvezet. Langmuir ismerte fel, hogy az izzólámpában fel-alá áramló gáz nem az izzószál valódi felületét, hanem a szálat burkoló 1-2 mm vastag, nyugvó gázréteg felületét hűti. Ha tehát hosszú, vékony izzószál helyett egy belőle készült, de csak például 1/12 olyan hosszú spirálist izzítunk gáztérben, akkor a hőveszteségek is 1/12 részre csökkennek, mert a spirálist kb. ugyanolyan vastag, de csak 1/12 olyan hosszú nyugvó gázburok veszi körül, mint az egyenes izzószálat. Így a hőveszteségek lényegében az izzótest, és nem az izzószál hosszával arányosak. Ezen az alapon sikerült Langmuirnak 1913-ban olyan gáztöltésű wolfrámspirális lámpát szerkeszteni, amelynél az izzószál magasabb hőmérsékletével elért gazdaságosság-nyereség nagyobb, mint a gáz hőelvezetése által okozott veszteség: amely tehát gazdaságosabb, mint a legjobb vákuumlámpa. Emellett 2400 oC izzószál hőmérsékletének megfelelően a fénye szép fehér."
Az első gáztöltésű lámpák nitrogéntöltését 1916-ban Jacobi a hőt kevésbé vezető argonra cserélte fel. Az izzó volfrámszállal szemben a nitrogén is és az argon is kémiailag közömbösek. Sokáig a 10% N, 90% Ar összetételt alkalmazták. A kb. 1/10 rész nitrogénre azért volt szükség, mert ez akadályozta meg az argonban könnyen meginduló ívkisüléseket.
Újabb jelentős lépés volt a volfrámszálas izzólámpák fejlesztésében az ún. nagykristályos, alaktartó volfrámhuzal előállítási technológiájának kidolgozása az 1920-as évek közepén (Tury Pál, Tarján György és Millner Tivadar munkája), majd az ilyen anyagból készült kettős spirál alkalmazása (1927). Az egyszerű spirálú gáztöltéses lámpákhoz mérve átlagosan 10%-al gazdaságosabb működését az izzószál még tömörebb kialakítása tette lehetővé.
A következő nagy eredmény (1930) a Tungsram életében az argon védőgáz lecserélése volt kriptonra, ami Bródy Imre nevéhez fűződik.
Irodalom:
Millner Tivadar: Az elektromos világítás kémiai problémái. A kémia és vívmányai II. rész. Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest, 1940; www.kfki.hu/~cheminfo/hun
Mészáros István: Volfram-kutatás Magyarországon. Fizikai Szemle,1992. 5. sz., 188. o.
34541 lajstromszámú magyar szabadalmi leírás: dr. Just és Hanaman "Eljárás wolframból vagy molibdénből elektromos izzólámpákhoz való izzótestek előállítására". Elsőbbség: 1904. október 7.
Felix R. Paturi: A technika krónikája. Officina Nova, 1991, 370. és 388. o.
Az összeállítást készítette: dr. Radnóczi Györgyné, Magyar Szabadalmi Hivatal
|
