RU169967U1 - Натриевая лампа высокого давления - Google Patents

Abstract

Полезная модель направлена на расширение области применения источника оптического излучения. Натриевая лампа высокого давления содержит вакуумированную колбу 1, выполненную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода 2, с установленной внутри между шинами 3, 4 из проводящего электрический ток материала герметичной разрядной трубкой 5 с электродами на концах, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, электроды разрядной трубки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины. Шины профилированы в плоскости, проходящей через ось разрядной трубки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности разрядной трубки по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы. Шины, как вариант, изготавливают из неферромагнитного проводящего электрический ток материала. В конструкции разрядной трубки могут быть использованы синтерированные электроды. Колба может быть выполнена из тугоплавкого стекла. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых экологически чистых и энергоэффективных источников света, в том числе, предназначенных для прямой замены дуговых ртутных ламп. Полезная модель направлена на расширение области применения натриевой лампы высокого давления за счет повышения технологичности конструкции, надежности работы, среднего срока службы, эксплуатационного ресурса, расширения номенклатуры и снижения стоимости.

Известна натриевая лампа низкого давления, содержащая вакуумированную колбу, выполненную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной разрядной трубкой с электродами на концах, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной рабочим веществом с парами натрия при низком давлении, электроды разрядной трубки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода (Разработка натриевой лампы низкого давления / Электрические источники света. Труды ВНИИС. - Саранск, 1972. - №4. - С. 94-104).

Недостатком известной натриевой лампы низкого давления является узкая область применения из-за сравнительно низкой светоотдачи, что обусловлено используемой конструкцией, большой длиной разрядной трубки, сложностями обеспечения оптимального теплового режима работы. Для повышения светоотдачи за счет «утепления» разрядной трубки используют специальное покрытие внешней колбы, отражающее инфракрасное излучение, или применяют вторую внешнюю колбу, что делает конструкцию еще более дорогой. Светоотдача натриевых ламп низкого давления с линейными разрядными трубками не превышает 90 лм/Вт, что является низкой величиной для данного типа источников света. Известная лампа имеет высокие напряжение горения и зажигания и крайне низкое качество цветопередачи. Большие размеры светящегося тела не позволяют использовать стандартные конструкции световых приборов, что сужает область применения. Конструкция разрядных трубок с распределенными по длине выпуклостями является нетехнологичной. Лампа-аналог имеет также низкую надежность работы, малые средний срок службы (2÷3 тыс. ч) и эксплуатационный ресурс. Число типов ламп с линейными разрядными трубками в значительной мере ограничено.

Известна натриевая лампа высокого давления, содержащая вакуумированную колбу, выполненную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной разрядной трубкой с электродами на концах, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, электроды разрядной трубки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода (Источники света. Натриевые лампы высокого давления Т, трубчатые, прозрачные. Каталог Osram / Osram. - 2010. - С. 5.26).

Известная натриевая лампа высокого давления имеет более высокий индекс цветопередачи по сравнению с натриевыми лампами низкого давления, несколько большие средний срок службы и эксплуатационный ресурс, обладает малым размером светящегося тела, однако световая отдача у таких ламп ниже, чем у выпускаемых промышленностью натриевых ламп низкого давления (до 150 лм/Вт). Такая лампа может иметь безртутное исполнение. В качестве источников питания натриевых ламп высокого давления используют электромагнитные (с импульсным зажигающим устройством) и электронные пускорегулирующие аппараты.

Натриевая лампа высокого давления является наиболее близкой к рассматриваемой полезной модели и выбрана в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является сравнительно узкая область применения.

Это обусловлено, в том числе, относительно низкой технологичностью конструкции, высоким напряжением зажигания, выраженной зависимостью напряжения зажигания от общего времени эксплуатации. В ходе эксплуатации постоянно увеличиваются напряжение зажигания натриевой лампы высокого давления и потребляемая лампой мощность (электромагнитный пускорегулирующий аппарат) до состояния, при котором она перестает зажигаться. Известные лампы характеризуются также малыми средним сроком службы и эксплуатационным ресурсом. Натриевые лампы высокого давления изготавливаются из дорогих материалов и имеют высокую цену, что существенно сужает область применения.

Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения натриевой лампы высокого давления, что является целью полезной модели.

Указанная цель достигается тем, что:

1. Натриевая лампа высокого давления содержит вакуумированную колбу, выполненную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри между шинами из проводящего электрический ток материала герметичной разрядной трубкой с электродами на концах, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, электроды разрядной трубки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины, шины профилированы в плоскости, проходящей через ось разрядной трубки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности разрядной трубки по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы;

2. По п. 1, шины изготавливают из неферромагнитного проводящего электрический ток материала;

3. По п. 1 или 2, в конструкции разрядной трубки используют синтезированные электроды;

4. По п. 1 или 2, колбу выполняют из тугоплавкого стекла. Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения за счет повышения светоотдачи натриевой лампы высокого давления на 5-10% и надежности работы (улучшение эксплуатационных характеристик источника света, снижение напряжения зажигания и зависимости напряжения от суммарного времени эксплуатации), увеличенных среднего срока службы и эксплуатационного ресурса, и сравнительно малой стоимости, что обусловлено новыми принципами устройства и технологичностью конструкции. Индекс цветопередачи новой лампы является наиболее высоким среди выпускаемых натриевых ламп высокого и низкого давления. Применение шин из неферромагнитного проводящего электрический ток материала снижает потери в них, особенно при работе ламп на повышенной частоте с электронным пускорегулирующим аппаратом. Использование синтерированных электродов увеличивает надежность работы и срок службы, снижает потери энергии, уменьшает напряжение зажигания лампы. Тепловые режимы разрядных трубок улучшаются за счет более эффективного вывода излучения из вакуумированной внешней колбы. Использование различных типов оптически прозрачных материалов для внешней колбы позволяет оптимизировать цену изделий в зависимости от мощности лампы. Диапазон мощностей и номенклатура натриевых ламп высокого давления значительно расширяются. При этом новые лампы могут без ограничений использоваться в распространенных типах осветительных приборов (приборах традиционных конструкций) с электромагнитными и электронными пускорегулирующими аппаратами.

Расширение области применения натриевой лампы высокого давления является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами устройства и функционирования, особенностями новой конструкции, наличием вариантов исполнения с различными типами используемых материалов и новыми элементами и связями, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой натриевой лампы высокого давления являются существенными.

На фиг. 1 приведена типовая конструкция натриевой (одноцокольной) лампы высокого давления со штампованными шинами из листового, проводящего электрический ток материала и со стандартным сетевым цоколем - элементами внешнего токоподвода (типа E40). На фиг. 2 изображен типовой вариант конструкции с формованными шинами, например, из круглой катанки. Расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности разрядной трубки по ее длине изменяется, в обоих случаях, многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы.

Натриевая лампа высокого давления содержит вакуумированную колбу 1, выполненную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода 2, с установленной внутри между шинами 3, 4 из проводящего электрический ток материала герметичной разрядной трубкой 5 с электродами на концах, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, электроды разрядной трубки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины. Шины профилированы в плоскости, проходящей через ось разрядной трубки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности разрядной трубки по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы. Шины, как вариант, изготавливают из неферромагнитного проводящего электрический ток материала. В конструкции разрядной трубки могут быть использованы синтерированные электроды. Колба может быть выполнена, в том числе, из тугоплавкого стекла.

Натриевая лампа высокого давления в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 2 (элементы внешнего токоподвода) стандартного вида (E27, E40, B22, BY22d) лампа подключается к питающей сети переменного тока (источнику питания) через специальный электромагнитный или электронный пускорегулирующий аппарат. Возможно также подключение натриевой лампы к источнику постоянного тока через электронный пускорегулирующий аппарат. В общем случае, натриевая газоразрядная лампа представляет собой электрический источник света, светящимся телом которого служит газовый разряд низкого (в натриевых лампах низкого давления) или высокого давления (в натриевых лампах высокого давления) в парах натрия. Таким образом, можно натриевые лампы классифицировать на лампы низкого и высокого давления. Натриевые лампы низкого и высокого давления являются одной из наиболее эффективных групп источников видимого излучения. Они имеют самую высокую световую отдачу среди всех известных разрядных ламп и характеризуются незначительным спадом светового потока при длительном сроке службы. К недостаткам натриевых ламп следует отнести низкое качество цветопередачи. Из-за того, что светящимся телом (основным источником видимого излучения) в натриевых лампах является газовый разряд в парах натрия, преобладающим в спектре натриевых ламп является резонансное излучение натрия (лампы дают яркий оранжево-желтый свет, в натриевых лампах низкого давления - линии 589 и 589,6 нм, в натриевых лампах высокого давления - сильно уширенные D-линии натрия с самообращением, а также интенсивные линии в сине-зеленой части спектра). Для натриевых ламп высокого давления максимум излучения имеет место при давлении натрия около 10 кПа (соответствует второму максимуму на кривой зависимости световой отдачи излучения натриевого разряда от давления паров натрия). Это давление насыщенных паров натрия достигается при 650÷750°C. Рабочее вещество разрядных трубок (5) натриевых ламп высокого давления содержит смесь паров натрия, а также, возможно, ртути, цинка, меди или висмута и «зажигающего» газа - ксенона. Ртуть (цинк, медь, висмут) вводится в качестве буферного вещества для повышения температуры разряда (снижения тепловых потерь) и градиента потенциала в разрядном столбе. Вклада в излучение ртуть (цинк, медь, висмут) практически не вносит. Натрий, имеющий наиболее низкие потенциалы возбуждения и ионизации, является основным рабочим веществом (источник излучения, ионов и электронов). Рабочее давление паров натрия в разрядной трубке (5) высокого давления в реальных условиях составляет 4,0÷14 кПа (давление ртути или других буферных паров может быть равно 40÷300 кПа). Ксенон вводится при холодном давлении 2,6÷4,5 кПа. Принципиально можно использовать и другие инертные газы. Ксенон повышает световую отдачу натриевого разряда высокого давления за счет снижения теплопроводности плазмы. Для уменьшения напряжения зажигания натриевого разряда при высоком давлении следует использовать смесь неона с аргоном (смесь Пеннинга). Натриевые лампы высокого давления имеют сравнительно низкий индекс цветопередачи (реальные значения индекса цветопередачи равны 26÷30, цветовая температура составляет 1900÷2200 К). Индекс цветопередачи и цветовая температура излучения натриевого разряда высокого давления могут быть повышены за счет увеличения давления паров натрия и ксенона и, частично, за счет ограниченного увеличения диаметра разрядной трубки (5), но при этом происходит значительное снижение светоотдачи и среднего срока службы. Разрядные трубки (5) высокого давления изготавливаются их поликристаллического (поликор, люкор) или монокристаллического (лейкосапфир) материала (окиси алюминия). В спектре натриевого разряда высокого давления (за счет самообращения) имеется «провал» на резонансных линиях натрия. Для обеспечения приемлемого температурного режима разрядных трубок (5) последние и помещаются во внешнюю (стеклянную) колбу (1), играющую роль, своего рода, «термоса». Внешнюю колбу (1) для снижения потерь тепла вакуумируют (давление не выше 0,01 Па). Внешняя вакуумированная (светорассеивающая) колба 1 из оптически прозрачного материала является важной частью конструкции лампы, которая выполняет несущую, защитную, светорассеивающую и «утепляющую» функции. Колба 1, изготовленная из оптически прозрачного материала, в общем случае, может быть выполнена в прозрачном, матовом, опаловом или молочном исполнениях. Матирование обеспечивает равномерность распределения яркости по поверхности светорассеивающей вакуумированной колбы 1, устраняет слепящий эффект. Матирование внешней колбы 1 также и несколько снижает световую отдачу лампы (поэтому, например, в натриевых лампах низкого давления известных конструкций в настоящее время не применяется из-за большого размера светящегося тела, но, в некоторых случаях, применяется в натриевых лампах высокого давления). Внешняя светорассеивающая колба 1 жестко механически соединена (сопряжена) с элементами внешнего токоподвода (цоколем) 2. Колба 1 снабжена впаянными электропроводящими элементами, предназначенными для электрического соединения светоизлучающих разрядных трубок (5) через шины 3, 4 с элементами внешнего токоподвода 2 и внешней электрической цепью (источником питания или питающей сетью). Колба 1 (как и разрядная трубка 5) может быть также, для улучшения теплового режима разрядной трубки 5, выполнена с инфракрасным покрытием (отражающим инфракрасное излучение и пропускающим видимое резонансное излучение). Для зажигания и развития разряда в разрядную трубку 5 вводят инертный газ (в частности, ксенон при давлении 2,6÷4,5 кПа с добавками буферного вещества (например, ртути). Для подвода электрической энергии к разряду разрядные трубки (5) снабжены электродами на концах, имеющими выводы. Свободные выводы электродов разрядных трубок (5) электрически соединены через шины 3, 4 с соответствующими контактами элементов токоподвода (цоколя) 2. Шины 3, 4 располагаются с двух сторон от разрядной трубки 5 и выполняются, как минимум, на всю длину разрядной трубки 5. Шины 3, 4 профилированы (отформованы) в плоскости, проходящей через ось разрядной трубки, так, что расстояние от соответствующей шины (3, 4) до внешней поверхности разрядной трубки 5 по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки 5, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы 1. В частности, конструкция шин 3, 4 может выполнять и следующую функцию - ограничивать отклонение верхней части разрядной трубки 5 от своего нормального положения при механических (ударных, вибрационных) воздействиях на лампу. Шины 3, 4, как вариант, изготавливают из неферромагнитного проводящего электрический ток материала. Электроды разрядной трубки 5 могут представлять собой самокалящиеся оксидные, в частности, триспиральные конструкции (в виде бифиляра) или подобные применяемым в линейных люминесцентных лампах низкого давления. Использование синтерированного (спеченного) электрода, вследствие размещения оксидного активатора в объеме электрода, а не на его поверхности (как у традиционно применяемых спиральных электродов), позволяет увеличить количество активатора, приблизительно, в 10÷15 раз. Высокая теплопроводность конструкции синтерированного электрода обеспечивает пониженную (на 300÷400°C) температуру электродов лампы (по сравнению с традиционным - спиральным) и, как следствие, значительное снижение скорости испарения активатора и работы выхода электронов. Активному испарению активатора препятствует также наполняющий разрядную трубку 5 инертный газ. В результате, существенно повышается устойчивость и надежность работы разрядной трубки 5 высокого давления в режимах частых включений (выключений) и в условиях превышения напряжения питающей сети. Благодаря всему вышеперечисленному срок службы лампы возрастает (на 15÷20%) и значительно уменьшается спад светового потока в процессе эксплуатации лампы и осветительного прибора на ее основе.

Разрядная трубка 5, как отмечено выше, выполняется из монокристаллической или поликристаллической окиси алюминия (поликор, люкор, лейко-сапфир). Указанные материалы обеспечивают эффективную и надежную работу при высокой температуре натриевого разряда данного вида. Колба 1 лампы изготавливается из различных типов оптически прозрачного материала, в том числе, как мягкого (легкоплавкого), среднего, жесткого (тугоплавкого) или сверхжесткого (кварцевого) лампового стекла. Тугоплавкие стекла (вольфрамовая группа, некоторые виды молибденовых стекол) целесообразно применять в натриевых лампах большой мощности. При малой мощности натриевых ламп высокого давления возможно использовать мягкие и средние стекла (платинитовые, молибденовые), имеющие более низкую цену. Это расширяет номенклатуру и область применения натриевой лампы высокого давления.

Шины 3, 4 могут иметь различную конструкцию и форму, реализующую рассмотренный выше принцип функционирования натриевой лампы высокого давления. На участках шин 3, 4, расположенных в непосредственной близости от разрядной трубки 5, целесообразно обеспечивать, например, малые радиусы кривизны (или острые концы), что повышает локальную напряженность поля и улучшает условия для возникновения натриевого разряда при высоком давлении.

Натриевые лампы высокого давления, сконструированные с использованием заявляемого принципа, могут выполняться как с одной, так и с двумя разрядными трубками 5. Применение двух разрядных трубок увеличивает срок службы и сокращает, в том числе, время повторного перезажигания лампы при ее эксплуатации.

По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения натриевой лампы высокого давления.

Новую натриевую лампу можно эффективно использовать в закрытых и открытых (без защитного стекла) светильниках для внутреннего и наружного освещения традиционных (разработанных) конструкций, при отрицательных температурах (до - 60°C), в условиях тряски и ограниченных ударов (освещение складов, товарных станций, промышленных объектов, автострад туннелей, шельфовых платформ, объектов архитектуры). Благодаря желтому свету с достаточно высоким качеством цветопередачи, обеспечивающему превосходную видимость и разрешающую способность органов зрения, в том числе, при низких уровнях освещенности и хорошее прохождение в тумане и в условиях запыленной атмосферы, натриевые лампы предлагаемой конструкции могут найти широкое применение и в светосигнальных системах (установках).

Повышается светоотдача натриевой лампы высокого давления при сохранении всех ее известных преимуществ. Это обеспечивается за счет снижения потерь энергии в ошиновке, особенно при работе на повышенных частотах, и в результате улучшения теплового режима разрядных трубок и потерь при поддержании электрического разряда высокого давления (снижение работы выхода электронов, падения потенциала на электродах), полного использования энергии составляющих спектра излучения и снижения теплоотдачи от конструктивных элементов. Потери энергии в ошиновке на повышенных частотах снижаются за счет исключения влияния эффекта вытеснения тока. Светоотдача новой натриевой лампы высокого давления (при работе на повышенной частоте) может быть доведена до 165 лм/Вт (соответствует световой отдаче современных натриевых ламп низкого давления и значительно превышает соответствующий параметр для натриевых ламп высокого давления). Повышение светоотдачи расширяет область применения.

Снижается напряжение зажигания натриевой лампы высокого давления и ограничиваются рост напряжения зажигания, рабочего напряжения и мощности в процессе длительной эксплуатации лампы. Увеличивается время «быстрого» перезажигания и сокращается время, необходимое для надежного повторного перезажигания лампы. Снижаются требования к лампам при эксплуатации в условиях отрицательных температур окружающей среды, а также к импульсным зажигающим устройствам, электромагнитным и электронным пускорегулирующим аппаратам.

Новая натриевая лампа высокого давления имеет повышенную надежность работы, увеличенный средний срок службы и большой эксплуатационный ресурс за счет улучшения работы электродных систем, шин и условий функционирования разрядных трубок. Улучшение эксплуатационных характеристик расширяет область применения натриевой лампы.

Предложенная конструкция натриевой лампы высокого давления обеспечивает высокую технологичность (монтаж разрядных трубок, изготовление колб с оптимальным составом оптически прозрачного материала для каждого типоисполнения), позволяет расширить диапазон рабочих мощностей и номенклатуру выпускаемых типов ламп, значительно снижает конечную стоимость изделий на соответствующие световые потоки. Область применения ламп за счет возможного увеличения номенклатуры и снижения стоимости также расширяется.

Claims (4)

1. Натриевая лампа высокого давления, содержащая вакуумированную колбу, выполненную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри между шинами из проводящего электрический ток материала герметичной разрядной трубкой с электродами на концах, изготовленной из оптически прозрачного материала, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, электроды разрядной трубки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины, шины профилированы в плоскости, проходящей через ось разрядной трубки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности разрядной трубки по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы.

2. Натриевая лампа высокого давления по п. 1, отличающаяся тем, что шины изготавливают из неферромагнитного проводящего электрический ток материала.

3. Натриевая лампа высокого давления по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в конструкции разрядной трубки используют синтерированные электроды.

4. Натриевая лампа высокого давления по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что колбу выполняют из тугоплавкого стекла.

Images