RU173371U1 - Разрядная лампа высокого давления - Google Patents

Abstract

Полезная модель направлена на расширение области применения источника оптического излучения. Разрядная лампа высокого давления содержит герметичную газополную или вакуумированную колбу 1, выполненную из мягкого или среднего стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода 2, с установленной внутри герметичной горелкой 3 с электродами, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной веществом, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины 4, 5. По крайней мере, одна шина отформована в плоскости, проходящей через ось симметрии горелки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности рабочей части горелки по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром рабочей части горелки, до максимального значения. 1 з.п. ф-лы, 1 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 серийных дуговых ртутных ламп, металлогалогенных и натриевых ламп высокого давления. Полезная модель направлена на расширение области применения разрядной лампы высокого давления за счет повышения технологичности конструкции, световой отдачи, надежности работы, среднего срока службы, эксплуатационного ресурса, расширения номенклатуры и снижения стоимости.

Известна разрядная лампа высокого давления, содержащая герметичную газополную колбу, выполненную из твердого стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной горелкой с электродами, изготовленной из сверхтвердого стекла и заполненной веществом с парами ртути, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины (Справочная книга по светотехнике. - М.: ООО «Типография КЕМ», 2008. - С. 139).

Недостатком известной разрядной лампы высокого давления является узкая область применения из-за сравнительно низкой светоотдачи, что обусловлено используемой конструкцией, сложностями обеспечения оптимального теплового режима работы и относительно высокой ценой. Известная лампа имеет значительный спад светового потока в конце срока службы (до 40%). Конструкция внешних колб из твердого (вольфрамового) стекла является низкотехнологичной. Лампа-аналог характеризуется также относительно низкой надежностью работы, малым средним сроком службы (около 12 тыс. ч) и эксплуатационным ресурсом. Число типов разрядных ламп высокого давления с колбами из твердого стекла известной конструкции в значительной мере ограничено.

Известна разрядная лампа высокого давления, содержащая герметичную выкуумированную колбу, выполненную из твердого стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной горелкой с электродами, изготовленной из сверхтвердого стекла и заполненной веществом с парами ртути и галогенидов металлов, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины (Справочная книга по светотехнике. - М.: ООО «Типография КЕМ», 2008. - С. 147).

Недостатком известной разрядной лампы высокого давления (металлогалогенной лампы) является узкая область применения из-за сравнительно низкой светоотдачи, что обусловлено используемой конструкцией, сложностями обеспечения оптимального теплового режима работы и сравнительно высокой ценой. Известная лампа имеет значительный спад светового потока в конце срока службы (до 50%). Конструкция внешних колб из твердого (вольфрамового) стекла является низкотехнологичной. Горелка из сверхтвердого (кварцевого) стекла функционирует в предельных тепловых режимах. Металлогалогенная лампа имеет высокое напряжение зажигания, что делает необходимым применение специальных зажигающих устройств. Лампа-аналог характеризуется также относительно низкой надежностью работы, малым средним сроком службы (около 7,5 тыс. ч) и низким эксплуатационным ресурсом. Число типов разрядных (металлогалогенных) ламп высокого давления с колбами из твердого стекла известной конструкции в значительной мере ограничено. Изготовление горелки из керамики несколько улучшает технические характеристики лампы, однако область применения металлогалогенных ламп с керамическими горелками остается сравнительно узкой.

Известна разрядная лампа высокого давления, содержащая герметичную вакуумированную колбу, выполненную из твердого или сверхтвердого стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной горелкой с электродами, изготовленной из оптически прозрачной поликристаллической керамики и заполненной веществом с парами натрия или с парами амальгамы натрия, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины (Источники света. Натриевые лампы высокого давления Т, трубчатые, прозрачные. Каталог Osram / Osram. - 2010. - С. 5.26).

Разрядная (натриевая) лампа высокого давления имеет более высокий индекс цветопередачи по сравнению с натриевыми лампами низкого давления, несколько большие средний срок службы (до 28 тыс. ч) 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 ртутное (с амальгамой) и безртутное исполнение. В качестве источников питания натриевых ламп высокого давления используют электромагнитные (с импульсным зажигающим устройством) и электронные пускорегулирующие аппараты.

Известная разрядная (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, низкой светоотдачей, высоким напряжением зажигания, выраженной зависимостью напряжения зажигания от общего времени эксплуатации и сравнительно высокой ценой. 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. Конструкция внешних колб из сверхтвердого (кварцевого) стекла является нетехнологичной и дорогой

(избыточной, например, для ламп малой и средней мощности). Внешнюю колбу из кварцевого стекла также сложно выполнить тонкостенной с высоким коэффициентом пропускания. Разрядные (натриевые) лампы высокого давления известного типа, таким образом, изготавливаются из дорогих материалов и имеют высокую цену, а технология их производства сложна, что существенно сужает номенклатуру и область применения. Изготовление внешней колбы из твердого стекла также не позволяет полностью избавить лампу известной конструкции от вышеперечисленных недостатков.

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

Указанная цель достигается тем, что:

1) разрядная лампа высокого давления содержит герметичную стеклянную колбу, выполненную из материала с технологическими свойствами не выше свойств среднего стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной горелкой с электродами, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной веществом, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины;

2) по крайней мере одна шина отформована в плоскости, проходящей через ось симметрии горелки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности рабочей части горелки по ее длине изменяется, как минимум, однократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром рабочей части горелки, до максимального значения.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения за счет повышения светоотдачи разрядной лампы высокого давления на 3-5% и надежности работы (улучшение эксплуатационных характеристик источника света, снижение напряжения зажигания и зависимости напряжения от суммарного времени эксплуатации), увеличенного среднего срока службы, эксплуатационного ресурса и сравнительно малой стоимости, что обусловлено новыми принципами устройства и технологичностью конструкции. Применение формованных шин специальной конструкции позволяет улучшить характеристики зажигания разрядной лампы высокого давления. Тепловые режимы разрядных трубок и внешней колбы улучшаются за счет более эффективного вывода излучения из внешней колбы из мягкого или среднего стекла. Использование новых типов оптически прозрачных материалов для внешней колбы позволяет оптимизировать цену изделий в зависимости от мощности лампы. Диапазон мощностей и номенклатура разрядных 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 разрядной 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 разрядной лампы высокого давления являются существенными.

На рисунке приведена типовая конструкция разрядной (одноцокольной) лампы высокого давления со штампованными шинами из листового проводящего электрический ток материала и со стандартным сетевым цоколем - элементами внешнего токоподвода (типа Е40).

Внешняя колба разрядной лампы выполнена из мягкого (например, СЛ95-3, платинитовая группа) или среднего (например, СЛ52-1 или СЛ58-1, молибденовая группа) стекла. При этом для ламп с вакуумированными колбами целесообразно использовать мягкое стекло, а для ламп с газополными внешними колбами больше подходит среднее стекло. Для разрядных ламп высокого давления малой мощности следует применять быстротвердеющее мягкое стекло, что повышает технологичность.

Расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности горелки по ее длине изменяется, в частном случае, многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром горелки, до максимального значения (ограниченного внутренними размерами колбы).

Разрядная лампа высокого давления содержит герметичную газополную или вакуумированную колбу 1, выполненную из мягкого или среднего стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода 2, с установленной внутри герметичной горелкой 3 с электродами, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной веществом, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины 4, 5. Как вариант, по крайней мере, одна шина отформована в плоскости, проходящей через ось симметрии горелки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности рабочей части горелки по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром рабочей части горелки, до максимального значения.

Разрядная лампа высокого давления в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 2 (элементы внешнего токоподвода) стандартного вида (Е27, Е40, В22, BY22d) лампа подключается к питающей сети переменного тока (источнику питания) через специальный электромагнитный (с импульсным зажигающим устройством или без него, в зависимости от типа лампы) или электронный пускорегулирующий аппарат. Возможно также подключение разрядной лампы к источнику постоянного тока через электронный пускорегулирующий аппарат. Рассмотрим работу разрядной лампы высокого давления на примере натриевой лампы высокого давления. В общем случае, натриевая лампа высокого давления представляет собой электрический источник света, светящимся телом которого служит парогазовый разряд высокого давления в рабочем веществе с парами натрия или с парами натрия и ртути (амальгамы натрия). Натриевые лампы 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 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 горелок (3) натриевых ламп высокого давления содержит, как отмечено выше, смесь паров натрия с инертным газом, а также, возможно, ртути, цинка, меди или висмута. Инертный газ выполняет роль «зажигающего» газа (ксенон, аргон или смесь неона с аргоном). 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 горелке (разрядной трубке) 3 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. 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), для удешевления применяют аргон. 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 (3), но при этом происходит значительное снижение светоотдачи и среднего срока службы. Разрядные трубки (3) высокого давления изготавливаются из 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 горелок (3) 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, но, в некоторых случаях, применяется в натриевых лампах высокого давления, в первую очередь, малой мощности. 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 (3) через шины 4, 5 с элементами внешнего токоподвода 2 и внешней электрической цепью (источником питания или питающей сетью). Колба 1 (как и разрядная трубка 3) может быть также, для улучшения теплового режима разрядной трубки 3, выполнена с инфракрасным покрытием (отражающим инфракрасное излучение и пропускающим видимое резонансное излучение). Для зажигания и развития разряда в разрядную трубку 3 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 (3) снабжены электродами на концах, имеющими выводы. Свободные выводы электродов разрядных трубок (3) электрически соединены через шины 4, 5 с соответствующими контактами элементов токоподвода (цоколя) 2. Шины 4, 5 располагаются с двух сторон от разрядной трубки 3 и выполняются, как минимум одна, на всю длину разрядной трубки 3. Шины 4, 5 профилированы (отформованы) в плоскости, проходящей через ось горелки 3, так, что расстояние от соответствующей шины (4, 5) до внешней поверхности разрядной трубки 3 по ее длине изменяется однократно или многократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром разрядной трубки 3, до максимального значения, ограниченного внутренними размерами колбы 1. В частности, конструкция шин 4, 5 может выполнять и следующую функцию - ограничивать отклонение верхней части разрядной трубки 3 от своего нормального положения при механических (ударных, вибрационных) воздействиях на лампу. Шины 4, 5, как вариант, изготавливают из неферромагнитного проводящего электрический ток материала. Электроды разрядной трубки 3 могут представлять собой самокалящиеся оксидные, в частности, триспиральные конструкции (в виде бифиляра) или подобные применяемым, например, в широко распространенных 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 3 инертный газ. В результате, существенно повышается устойчивость и надежность работы разрядной трубки 3 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 3 натриевой лампы высокого давления, как отмечено выше, выполняется из монокристаллической или поликристаллической окиси алюминия (поликор, люкор, лейкосапфир). 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 4, 5 могут иметь различную конструкцию и форму, реализующую рассмотренный выше принцип функционирования натриевой лампы высокого давления. На участках шин 4, 5, 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 (зажигания разряда).

Натриевые лампы высокого давления, сконструированные с использованием заявляемого принципа, могут выполняться как с одной, так и с двумя разрядными трубками 3. Применение двух разрядных трубок увеличивает срок службы и сокращает, в том числе, время повторного перезажигания лампы при ее эксплуатации.

Металлогалогенные лампы имеют аналогичную натриевым лампам высокого давления конструкцию. Отличия заключаются, в основном, в форме горелки 3 и состава рабочего вещества, которое включает галогениды некоторых металлов.

Натриевые и металлогалогенные лампы имеют, как правило, вакуумированную колбу. Для поддержания требуемой глубины вакуума в течение всего срока службы внутри колбы 1 размещают гетер (газопоглотитель). За счет высокого вакуума во внешней колбе 1 температура внешних частей лампы (особенно для ламп малой и средней мощности) сравнительно низкая, поэтому необходимость в применении тугоплавких (твердого или сверхтвердого) стекол отсутствует.

Если внешняя колба 1 разрядной лампы высокого давления газополная, то за счет явления теплопроводности в газе может происходить ее нагрев (дуговые ртутные лампы). Однако из-за различия тепловых режимов (более низкой тепловой нагрузки) и при малой мощности лампы нагрев колб 1 и в газополных лампах остается незначительным, что позволяет также эффективно применять мягкие и средние типы стекол.

Принципы работы разрядных ламп высокого давления с газополными и вакуумированными колбами 1 (применительно к достигаемой цели полезной модели), в основном, аналогичны.

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

Новую разрядную лампу высокого давления 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 интенсивному свету ламп высокого давления 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, разрядные лампы предлагаемой конструкции могут найти широкое применение и в светосигнальных системах (установках).

Повышается светоотдача разрядной лампы высокого давления при сохранении всех ее известных преимуществ. Это обеспечивается за счет возможного повышения коэффициента пропускания оптически прозрачного материала колбы, 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, в частности, исключения влияния эффекта вытеснения тока (использование шин из неферромагнитного материала). Светоотдача новой разрядной лампы высокого давления (при работе на повышенной частоте) может быть доведена до 160 лм/Вт (соответствует световой отдаче современных натриевых ламп низкого давления и значительно превышает соответствующий параметр, в частности, для натриевых ламп высокого давления). Повышение светоотдачи расширяет область применения.

Снижается напряжение зажигания разрядной 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 разрядная лампа высокого давления имеет повышенную надежность работы (конструкция и материал шин и электродов), увеличенный средний срок службы (в 1,5÷2 раза) и большой эксплуатационный ресурс за счет улучшения работы электродных систем, шин и условий функционирования горелок. Улучшение эксплуатационных характеристик расширяет область применения разрядной лампы высокого давления.

Предложенная конструкция разрядной лампы высокого давления обеспечивает высокую технологичность (монтаж разрядных трубок, изготовление колб с оптимальным составом оптически прозрачного материала для каждого типоисполнения, мягкого и среднего типов стекол, применение более производительных технологий лампового стекла), 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 (2)

1. Разрядная лампа высокого давления, содержащая герметичную стеклянную колбу, выполненную из материала с технологическими свойствами не выше свойств среднего стекла и снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной горелкой с электродами, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной веществом, обеспечивающим работу лампы при высоком давлении, электроды горелки соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода через шины.

2. Разрядная лампа высокого давления по п. 1, отличающаяся тем, что по крайней мере одна шина отформована в плоскости, проходящей через ось симметрии горелки, так, что расстояние от соответствующей шины до внешней поверхности рабочей части горелки по ее длине изменяется как минимум однократно от минимального значения, ограниченного внешним диаметром рабочей части горелки, до максимального значения.

Images