卤素灯

背景

卤素灯是白炽灯的一种。传统的白炽灯包含密封在玻璃外壳内的钨丝，该玻璃外壳被抽真空或填充惰性气体或这些气体的混合物（通常是氮气、氩气和氪气）。当对灯丝通电时，灯丝会变得足够热（通常超过 3,600°F [2,000°C]）而变成白炽灯；换句话说，灯丝发光并发光。在工作过程中，从热灯丝蒸发的钨在灯泡壁内的冷却器上凝结，导致灯泡变黑。这种变黑过程会在灯的使用寿命内不断降低光输出。

卤素灯经过一些修改以消除这种变黑问题。灯泡由熔融石英而不是钠钙玻璃制成，充满与白炽灯相同的惰性气体，并混合少量卤素气体（通常低于 1% 的溴）。卤素与钨沉积物发生化学反应以产生卤化钨。当卤化钨到达灯丝时，灯丝的强烈热量使卤化物分解，将钨释放回灯丝。这个过程（称为钨卤循环）在灯的使用寿命内保持恒定的光输出。

为了使卤素循环起作用，灯泡表面必须非常热，通常超过 482°F (250°C)。如果灯泡太冷，卤素可能无法充分蒸发或无法与冷凝钨充分反应。这意味着灯泡需要更小，并由石英或称为铝硅酸盐的高强度耐热玻璃制成。由于灯泡很小并且由于其壁较厚而通常相当坚固，因此它可以充满气体以达到比通常更高的压力。这会减慢钨丝从灯丝中蒸发的速度，从而延长灯的使用寿命。

此外，灯泡的小尺寸有时使得使用更重的优质填充气体（例如氪气或氙气）更经济——这有助于减缓钨蒸发的速度——而不是更便宜的氩气。更高的压力和更好的填充气体可以延长灯泡的寿命和/或允许更高的灯丝温度，从而提高效率。任何使用优质填充气体也会导致填充气体从灯丝传导的热量减少。这导致更多的能量通过辐射离开灯丝，稍微提高了效率。

因此，卤素灯泡产生的光更白、更亮，消耗的能量更少，并且比相同瓦数的标准白炽灯泡使用寿命更长。与传统的白炽灯泡相比，它们可以持续 2,000-4,000 小时（大约两到四年），传统的白炽灯泡只能工作 750-1,500 小时或每天三个小时，大约一年。然而，卤素灯泡的成本更高。

大多数卤素灯的功率范围为 20-2,000 瓦。低电压类型范围为 4-150 瓦。一些卤素灯还在灯泡外部设计有特殊的红外反射涂层，以确保辐射热（否则会浪费掉）反射回​​灯丝。灯丝燃烧得更热，因此需要的瓦数更少。这些灯可以使用长达 4,000 小时。

尽管比其他大型白炽灯更高效，但卤钨灯相对于荧光灯和高强度放电 (HID) 灯类型而言效率较低。卤素灯也可能构成安全威胁，因为产生的热量范围为 250-900°F (121-482°C)。

历史

带玻璃烟囱的油灯是电灯的前身。煤气灯也很常见，但有明显的缺点。在 19 世纪初期，开发了一种使用电热丝（铂金）的灯。由于使用了不同的灯丝材料，因此更高效的灯成为可能。 1860 年，一位名叫 Swan 的英国发明家展示了一种碳丝灯。他和托马斯爱迪生最终在 1878 年左右改进了这种灯并投入实际使用。爱迪生在 1880 年安装了第一个成功的电照明系统。

后来，这些碳丝被钽丝取代，然后是钨丝，它们的蒸发速度比碳慢。拉制钨丝的工艺完善后，第一批钨丝灯于 1911 年问世。这些是真空灯。 1913 年，通用电气公司推出了使用惰性气体和盘绕灯丝的钨丝灯。六年后，美国灯泡年产量突破2亿只。今天，几乎所有的白炽灯都是用钨丝制成的。

卤素灯中使用的钨卤循环最早是在 40 年前设计和测试的。一些第一批商用卤素灯泡于 1959 年推出。此后的应用包括演播室照明、投影灯和车辆前照灯。后者导致了一种不同类型的玻璃，称为铝硅酸盐，它在 1970 年代初期首次引入灯中。这些玻璃的较低软化或工作温度允许卤素灯的高速自动化生产。

20 世纪初，随着公众可以使用电力，灯泡行业应运而生。到 1980 年代初，大约有 70 家美国公司每年销售价值超过 20 亿美元的灯泡和灯管。在接下来的十年中，由于 1990 年代初的衰退，灯泡市场总额仅增长到 29 亿美元左右。 1994 年市场达到近 40 亿美元，但在接下来的几年中保持相对平稳。

1992 年，美国通过了《国家能源安全法案》，强制要求使用更高效的先进灯泡。该法案试图阻止从 1994 年开始销售低效荧光灯泡和到 1995 年销售其他节能灯泡。它还禁止了几种类型的荧光灯管、一些白炽反射灯和各种泛光灯。该法案的通过也使灯泡的价格上涨了 4-6%。

这一行为以及利润的下降激励了 1990 年代中期的灯制造商提供可以降低能耗、改善照明、延长寿命并最大限度减少环境影响的灯。紧凑型荧光灯和卤素灯泡是提供增长的两种类型。因此，在 1993-1998 年期间，卤素出货量每年增加近 15%。 1998 年美国照明设备的整体市场超过 100 亿美元。

1997 年年中，消费品安全委员会协调召回卤素炬管用于家庭维修，原因是灯具设计不当和热灯泡引起火灾危险。此次召回的目的是改装现有的带有保护线灯泡防护罩的电筒灯（召回后制造的灯已包含这些防护罩）。

其他类型的灯泡，包括卤素灯泡，多年来一直在不断改进，并且正在为特殊应用而设计。卤素灯技术的最新进展是卤素红外反射 (IR) 灯。这些灯可以以更少的功率（瓦​​特）提供相同的光输出（流明），或者相反，在与标准卤素灯相同瓦特的情况下，流明显着增加。在白炽灯和卤素灯中，只有 10-15% 的功率产生可见光。大部分功率以热量（红外线能量）的形式辐射。

这些新型灯的灯罩外表面涂有红外线反射涂层，可将大部分浪费的红外线能量反射回灯罩和钨丝上。这重定向 显示卤素灯和白炽灯功率差异的图表。能量会增加灯丝温度，从而产生更多的光而无需任何额外的瓦数。今天，这些灯主要用于大型零售应用中的一般照明和重点或展示照明。最近，1999年时代广场的跨年舞会使用了180盏新型卤素灯。双封套设计使这些灯的热分布类似于白炽灯。

原材料

根据卤素灯的类型，灯泡材料是石英（熔融石英）或铝硅酸盐玻璃。石英玻璃具有适合钨卤素循环的耐温性，可产生高达 1,652°F (900°C) 的灯泡温度。对于低至约 120 瓦特的灯，可以使用铝硅酸盐玻璃。两种玻璃都采用圆柱形管的形式，预先切割成所需长度或由灯制造商切割成所需长度。

钨用于白炽灯丝。钨以线状接收，使用掺杂（添加少量其他材料）和热处理工艺制造。掺杂剂产生将钨加工成线圈所需的延展性，并有助于防止操作过程中发生变形。用于密封的钼以金属箔和线轴的形式存在于线轴上。由陶瓷、玻璃或金属制成的底座是预制的。

制造过程中使用的气体包括氩气、氮气、氪气、氙气、溴、氢气、氧气和天然气或丙烷气。大多数这些气体以罐或钢瓶的形式供应，一些以液体形式供应。 自然 煤气是从煤气公司用管道送进来的。

设计

灯的电气特性由灯丝尺寸和形状或几何形状决定。工作电压越高，电线必须越长。对于更高的瓦数，需要更粗的电线。根据灯的应用，灯丝被缠绕成不同配置的线圈形状。

最常见的配置被称为圆芯、扁平芯和双丝。在特殊情况下，使用其他配置，或者调制（为了最大的光产生效率）和分段（为了光的均匀分布）。长丝也以两种方式定向，轴向或横向。在双端圆柱形灯中，方向始终是轴向的。在单端灯中，方向由应用决定。

制造过程

一些灯组件在不同的地点制造并运送到进行最终组装的工厂。制造自动化程度取决于灯的应用、销量和售价。将讨论单端石英卤素灯的工艺。

制作线圈

• 1 由于细而直的电线发光特性差且难以装入灯泡中，因此使用类似于高速线轴的自动化机器将电线缠绕成线圈形状。为了制造圆芯灯丝，每根灯丝都以螺旋状排列在圆柱形杆上，并与下一根灯丝相邻。扁平芯灯丝使用矩形棒。对于双灯丝，首先将导线缠绕成一个非常细的初级线圈，然后再次缠绕在第二个更厚的芯上。因此，大量的电线可以装入非常小的空间。

  卤素灯泡由熔融石英制成并充满与白炽灯相同的惰性气体，混合少量卤素气体。卤素与钨沉积物反应生成卤化钨，当它到达热灯丝时会分解。击穿将钨释放回灯丝（称为卤钨循环），并在灯的使用寿命内保持恒定的光输出。

形成灯泡

• 2 玻璃管切割成一定长度后，必须在顶部连接排气管。首先使用气体/氧气火加热管的顶部。碳化钨轮将软化的玻璃折叠起来，形成一个包含小孔的圆顶形状。
• 3 将称为排气管的较小玻璃管放入孔中，并通过熔化与较大的管相连。这种小直径管用作在密封操作期间将空气从灯中冲出并在排气过程中排空空气和引入填充气体的手段。这个过程是在特殊的旋转机器上进行的。

制作挂载

• 4 接下来，制作底座。首先，桥是通过将预制的钨丝嵌入一个小的圆柱形石英棒制成的。灯丝焊接到这些支撑线上，并焊接到由钼密封箔和外引线组成的外引线组件上。
• 5 将完成的安装座送入 1,925°F (1,050°C) 的氢气炉进行清洁。此过程可去除在灯工作期间可能损坏钨丝的任何氧化物。

密封

• 6 一种称为压封的机器用于密封灯泡内的安装座。安装座插入灯泡中，两个部分都牢固固定。然后使用气体/氧气燃烧器将灯泡底部加热到约 3,272°F (1,800°C) 以软化石英。不锈钢压垫，在 20-60 psi 的压力下工作，将石英压到钼箔上，形成气密密封。在此操作过程中，灯泡会被惰性气体（氮气或氩气）冲洗以去除空气并防止安装座氧化。外引线从压机的端部突出并提供将灯电连接到灯座的装置。

排空和填充被压的灯泡

• 7 压出的灯泡充满排气机上的卤素气体。该机器采用真空泵从灯泡中排出空气，并采用填充系统将卤素气体混合物通过排气管引入灯泡中。灯的高内部压力是通过首先将灯填充到大气压以上，然后将灯泡喷入或浸入液氮中来实现的，液氮将填充气体冷却并冷凝到大气压以下。气体/氧气燃烧然后熔化灯泡顶部的排气管，形成尖端并将气体捕获在灯泡中。气体加热到环境温度时会膨胀，从而形成加压灯。

安装底座

• 8 灯座提供电气连接和安装。几何在国家和国际标准中定义。有几种不同类型的碱基。对于单端灯，使用玻璃、陶瓷或金属底座。它们通常用特殊的粘合剂粘合到玻璃灯泡上，这种粘合剂对高温、潮湿和热应力具有良好的耐受性，或者通过机械方式连接。无水泥连接用于特殊应用。

包装

• 9 最终测试后，根据应用，将灯手动或自动包装到盒子中。出售给零售店的灯是单独包装的。

质量控制

压力测试（在 40-100 个大气压下，取决于填充压力）在压制/密封过程之后进行，以确保灯在操作过程中不会爆裂。尽管有些灯是 100% 测试的，但通常会随机抽取样本。在填充过程之后，通过将灯放在旋转机器上并点亮几分钟来测试灯是否泄漏。如果出现严重泄漏，灯会变成白黄色。如果有任何重大机械缺陷，灯通常会熄灭。每个批次的随机样本也经过测试，以确保满足所有规格（瓦特、温度、光输出和寿命）。

副产品/废物

有缺陷的石英被处理或回收。有时排气管会重复使用。废钨被回收并作为废料出售。未通过测试的成品灯将被丢弃。然而，灯具制造商继续使用更环保的材料来减少不可回收的废物。

一些卤素灯是用灯座中的铅焊料制成的。由于铅是一种剧毒物质，含铅产品必须通过环境保护署的 TCLP（毒性特性浸出程序）。如果没有，则必须将它们归类为危险废物并遵守某些州的特殊处置法规。一些灯制造商通过使用无铅焊料来避免这个问题。

未来

预计 2003 年卤钨灯的出货量将增长 7.7%，达到 5800 万台，超过白炽灯的出货量。这反映了卤素在住宅和商业应用中越来越被接受，例如轨道和嵌入式照明、台灯和落地灯以及其他通用和工作照明。

尽管在许多应用中越来越多地使用卤素灯，但由于从中国、韩国、台湾、日本、菲律宾、墨西哥、德国、和匈牙利。除了来自进口的竞争外，其他因素也将导致单价下降，这将限制出货价值的每年增长 5.3% 至 2003 年的 1.8 亿美元。为了抢占市场份额，一些制造商将限制价格上涨。此外，规模经济和生产技术的改善将有助于降低单价。

卤素灯制造商还将继续开发具有卓越照明特性、更高效率和更长寿命且成本更低的灯泡。将提供新的和改进的设计以满足特殊应用的需要。将继续制造更环保的灯，并提高制造过程的效率以减少浪费。

到世纪之交，全球照明产品市场预计将达到 280 亿美元左右。预计美国将在该市场的份额超过目前的 30%。美国灯泡和灯泡公司也在通过组建合资企业或收购设施向海外扩张。预计到 2005 年北美照明设备市场将超过 150 亿美元。

基于白炽灯在大型住宅和运输设备市场的大量使用，白炽灯将继续在美国市场占据主导地位，占单位销售额的 80% 以上和市场价值的 50% 以上。由于白炽灯市场的成熟、来自其他灯类型的竞争以及住宅和汽车行业的放缓，白炽灯需求的增长将落后于行业平均水平。