Натриевая лампа

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 за счет повышения светоотдачи (отношение светового потока к общей потребляемой мощности, лм/Вт), качества цветопередачи, технологичности, надежности работы, среднего срока службы, эксплуатационного ресурса, расширения номенклатуры и снижения стоимости.
Известна натриевая лампа низкого давления, содержащая вакуумированную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной разрядной трубкой, изготовленной из оптически прозрачного материала в форме линейки с равномерно распределенными по длине выпуклостями и с электродами на концах, имеющими выводы, заполненной рабочим веществом с парами натрия при низком давлении, выводы электродов разрядной трубки электрически 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 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 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 низкого давления, содержащая вакуумированную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной разрядной трубкой, изготовленной из оптически прозрачного материала в форме знака U с равномерно распределенными по длине выпуклостями, и с электродами на концах, имеющими выводы, заполненной рабочим веществом с парами натрия при низком давлении, выводы электродов разрядной трубки электрически соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода (Источники света. Лампы SOX. Каталог Osram/Osram. - 2010. - С. 5.28).
В известной лампе светоотдача доведена до значения 160÷180 лм/Вт. Однако разрядная трубка остается нетехнологичной в изготовлении. Размеры светящегося тела сравнительно велики (например, при мощности 185 Вт длина лампы составляет 1120 мм). Сохраняются проблемы с обеспечением теплового режима разрядной трубки, и ограничивается использование ламп этого типа в стандартных световых приборах. Известная натриевая лампа низкого давления имеет плохое качество цветопередачи. Лампа также обладает низкой надежностью работы, имеет относительно малые средний срок службы (12÷18 тыс.ч) и эксплуатационный ресурс и высокую стоимость. Таким образом, известная натриевая лампа низкого давления также характеризуется недостатком, заключающимся в узкой области применения. Число выпускаемых типов таких ламп и объемы их производства ограничены.
Известна натриевая лампа высокого давления, содержащая вакуумированную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленной внутри герметичной разрядной трубкой, изготовленной из оптически прозрачного материала, с электродами на концах, имеющими выводы, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, выводы электродов разрядной трубки электрически соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода (Источники света. Натриевые лампы высокого давления T, трубчатые, прозрачные. Каталог Osram/Osram. - 2010. - С. 5.26).
Известная натриевая лампа высокого давления имеет более высокий индекс цветопередачи, 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).
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, низкой световой отдачей известной лампы, низким качеством цветопередачи и относительно низкой технологичностью конструкции. Известные лампы имеют также малые средний срок службы и эксплуатационный ресурс.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения натриевой лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что натриевая лампа содержит вакуумированную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода, с установленными внутри герметичной разрядной трубкой, изготовленной из оптически прозрачного материала, с электродами на концах, имеющими выводы, заполненной рабочим веществом с парами натрия при низком давлении, и второй герметичной разрядной трубкой, изготовленной из оптически прозрачного материала, с электродами на концах, имеющими выводы, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении, разрядные трубки электрически соединены последовательно, свободные выводы электродов разрядных трубок электрически соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения за счет повышения светоотдачи натриевой лампы на 10-15% и надежности работы (улучшение эксплуатационных характеристик источника света), увеличенных среднего срока службы и эксплуатационного ресурса и 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 (спектры разрядов низкого и высокого давления в парах натрия являются взаимно дополняющими). Реализация разрядной трубки низкого давления в компактной форме оптимизирует тепловой режим разрядной трубки и лампы, уменьшает размеры светящегося тела, эффективно предотвращает явление миграции натрия. Использование синтерированных электродов увеличивает надежность работы и срок службы, снижает потери энергии, уменьшает напряжение зажигания лампы. Тепловые режимы разрядных трубок улучшаются за счет эффективного взаимного влияния. Диапазон мощностей и номенклатура натриевых ламп значительно расширяются. При этом новые лампы могут без ограничений использоваться в распространенных типах осветительных приборов (приборах традиционных конструкций).
Расширение области применения натриевой лампы является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами устройства, особенностями новой (гибридной) конструкции, наличием двух различных типов разрядных трубок и новыми элементами и связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой натриевой лампы, которую можно отнести к гибридным источникам света, являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция натриевой (одноцокольной) лампы со стандартным сетевым цоколем - элементами внешнего токоподвода (типа E40).
Натриевая лампа содержит вакуумированную колбу 1, изготовленную из оптически прозрачного материала, снабженную элементами внешнего токоподвода 2, с установленными внутри герметичной разрядной трубкой 3, изготовленной из оптически прозрачного материала, с электродами 4 на концах, имеющими выводы 5, заполненной рабочим веществом с парами натрия при низком давлении, и второй герметичной разрядной трубкой 6, изготовленной из оптически прозрачного материала, с электродами 7 на концах, имеющими выводы 8, заполненной рабочим веществом с парами натрия при высоком давлении. Разрядные трубки электрически соединены последовательно. Свободные выводы электродов разрядных трубок электрически соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода.
Натриевая лампа 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 недостатком 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). Монохроматичность излучения - специфическая особенность натриевых ламп низкого давления. В качестве рабочего вещества в разрядных трубках (3) таких ламп используют смесь паров натрия и инертного газа (или смеси инертных газов, например неона и аргона). Натриевые лампы низкого давления отличаются также и рядом других особенностей, существенно затрудняющих как их производство, так и эксплуатацию. Во-первых, пары натрия при высокой температуре агрессивно воздействуют на материал разрядной трубки (3), разрушая его. Из-за этого разрядные трубки (3) натриевых ламп низкого давления обычно выполняются из специальных стекол (типа СЛ53-1 или накладных - химически стойкое известково-натриевое стекло с тонким покрытием из боратного стекла), устойчивых к воздействию паров натрия при высокой температуре. Во-вторых, эффективность натриевых ламп низкого давления сильно зависит от температуры окружающей среды. Максимум излучения в них достигается при давлении паров натрия 0,2÷1 Па и температуре 270÷300°C. Для натриевых ламп высокого давления максимум излучения имеет место при давлении 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 (6) 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 (6) высокого давления 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 можно 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 (6), но при этом происходит значительное снижение светоотдачи и среднего срока службы. Разрядные трубки (6) 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. Этот провал может быть восполнен за счет излучения натриевого разряда низкого давления. Качество цветопередачи гибридного источника света при этом возрастет естественным образом. Для обеспечения приемлемого температурного режима разрядных трубок (3, 6) 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 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 последовательной цепи светоизлучающих разрядных трубок 3 и 6 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, неон при давлении 1,0÷1,5 кПа с добавкой 0,5÷1,0 аргона для снижения напряжения зажигания - смесь Пеннинга), а в разрядную трубку 6 могут вводить смесь инертного газа (обычно, ксенона) с добавками буферного вещества (например, ртути). Для подвода электрической энергии к разряду разрядные трубки 3 и 6 снабжены электродами, соответственно 4 и 7, на концах, имеющими выводы 5 и 8. Свободные выводы 5 и 8 электродов (4 и 7) разрядных трубок 3 и 6 электрически соединены с соответствующими контактами элементов токоподвода (цоколя) 2. При этом разрядные трубки 3 и 6 через противоположные выводы (5, 8) электродов (4, 7) соединены в последовательную электрическую цепь. Электроды 4 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 4 вследствие размещения оксидного активатора в объеме электрода (4), 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 (4) обеспечивает пониженную (на 300÷400°C) температуру электродов 4 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 низкого давления в режимах частых включений (выключений) и в условиях превышения напряжения питающей сети. Электроды 7 разрядной трубки 6 высокого давления выполняются подобно любой из известных конструкций электродов разрядных трубок натриевых ламп высокого давления (в том числе, синтерированных). 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. «Утепление» разрядной трубки 3 низкого давления, например, имеющей компактную форму, с помощью нагрева от работающей разрядной трубки 6 высокого давления в вакуумированной внешней колбе 1 является наиболее эффективным и качественным. Явление миграции натрия при определенной форме разрядной трубки 3 устраняется естественным образом. Разрядные трубки 3 и 6, таким образом, взаимно дополняют друг друга, и в результате обеспечиваются оптимальные условия для их работы и оптимальные тепловые режимы.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения натриевой лампы.
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 при сохранении всех ее известных преимуществ. Это обеспечивается за счет гибридного устройства, снижения потерь энергии в результате улучшения теплового режима разрядных трубок и потерь при поддержании электрического разряда высокого и низкого давления (снижение работы выхода электронов, падения потенциала на электродах), полного использования энергии составляющих спектра излучения и снижения теплоотдачи от конструктивных элементов. Светоотдача новой натриевой лампы может быть повышена до 172 лм/Вт (что соответствует световой отдаче современных натриевых ламп низкого давления и значительно превышает соответствующий параметр для натриевых ламп высокого давления). Повышение светоотдачи расширяет область применения.
Дополнительно, по сравнению с прототипом за счет улучшения качества цветопередачи (до 50÷75), возможного уменьшения размеров светящегося тела, значительного снижения температуры внешних частей конструкции, выравнивания яркости по поверхности светорассеивающей колбы и исключения слепящего эффекта (матирование при малых размерах светящегося тела) также расширяется область применения натриевой лампы низкого давления.
Новая натриевая лампа имеет повышенную надежность работы, увеличенный средний срок службы и большой эксплуатационный ресурс за счет улучшения работы электродных систем и условий функционирования разрядных трубок. Улучшение эксплуатационных характеристик расширяет область применения натриевой лампы.
Предложенная конструкция натриевой лампы обеспечивает высокую технологичность (монтаж разрядных трубок), 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.