Амальгамная газоразрядная лампа низкого давления для обеззараживания воздуха и поверхности

Изобретение относится к области светотехники, а именно, к газоразрядным лампам низкого давления, применяемым для обеззараживания воздуха и поверхности ультрафиолетовым (УФ) бактерицидным излучением.
Из данной области техники известно, что для газоразрядных ламп эффективность генерации бактерицидного УФ излучения с длиной волны 253,7 нм зависит от многих факторов, главным из которых является давление паров ртути в разрядной колбе лампы. Отклонение давления паров ртути в сторону увеличения или уменьшения от оптимального значения, приводит к уменьшению эффективности генерации излучения с длиной волны 253,7 нм, как для ртутных, так и для амальгамных газоразрядных ламп низкого давления.
Указанное изменение давления паров ртути в колбе лампы может быть обусловлено изменением температуры ее холодной точки (например, стенки колбы); нестабильными внешними условиями (понижением или повышением температуры окружающего воздуха, изменением скорости движения воздуха), а также конструкцией устройств, в которых используются данные лампы (наличием экранирующих УФ стенок камеры, специальных отражателей и др.).
Hg
Особенностью амальгамных УФ ламп, обладающих высокой мощностью и интенсивностью излучения, заключается в том, что изменение давления паров ртути для них определяется составом амальгамы. Для УФ ламп низкого давления наибольшее распространение получили амальгамы на основе индия, а также индиевые амальгамы с добавками Bi, Sn, Cd, Pb и др. Характерная величина давления паров ртути P в рабочем режиме лампы находится в интервале 5-8 мторр. Изменяя состав компонентов амальгамы, можно добиться таких режимов работы, при которых оптимальное давление паров ртути будет поддерживаться в достаточно широком диапазоне температур стенки колбы лампы.
Однако, при эксплуатации амальгамных УФ ламп, предназначенных для обеззараживания воздуха и поверхностей в условиях принудительной конвекции воздуха и находящихся в потоке холодного воздуха, температура стенки лампы и расположенной на ней амальгамы, определяющей интенсивность УФ излучения и электрическую мощность лампы, будет уменьшаться. Кроме того, эффективность генерации УФ излучения лампы будет зависеть не только от температуры воздуха, но и от скорости воздушного потока.
Поэтому для амальгамных УФ ламп такого предназначения, для поддержания давления паров ртути, близкого к оптимальному, необходимо предотвратить переохлаждение места расположения амальгамы.
Из уровня техники известно, что одним из способов решения указанной технической задачи, является введение в конструкцию лампы специальных средств, предназначенных для регулирования и сохранения температуры амальгамы.
Известна, например, ртутная амальгамная лампа низкого давления, в которой, с целью предотвращения переохлаждения, амальгама помещена не на прямом участке ламповой колбы, а расположена в специальном углублении, выполненном в заэлектродной области. Температура амальгамы контролируется за счет использования дополнительной спирали для ее подогрева так, что температура амальгамы при заданном токе лампы остается постоянной и находится в пределах оптимального температурного интервала. Конструкция приведенной в аналоге лампы позволяет использовать ее в достаточно широком интервале рабочих температур обрабатываемого воздуха (Патент США US 8018130, H01J 61/20, 2011 г.)
Однако известное техническое решение имеет ряд недостатков:
- усложненная, относительно стандартной, конструкция лампы, менее надежна, за счет большего числа точек электрического контакта и необходимости вводить через заштамповочный узел дополнительные элементы с вероятностью потери герметичности узла;
- для нагрева амальгамы необходимо использовать специальный электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) как источник питания лампы;
- величина тока в дополнительном нагревателе (мощность нагрева), должна соответствовать внешним условиям работы лампы, то есть требует регулировки по заданному алгоритму, что ухудшает универсальность предлагаемого в аналоге технического решения;
Известна также ртутная газоразрядная лампа для УФ дезинфекции сред, в которой, для повышения светоотдачи лампы, область «холодной точки» лампы закрывают экраном, размещенным на газоразрядной колбе. Экран защищает «холодную» точку, не допуская потерь тепла и переохлаждения, поддерживая, таким образом, оптимальное давление паров ртути.
Экран может быть выполнен из пластика (например, полистирола или полиуретана), а на его внутреннюю поверхность может быть нанесено светоотражающее покрытие.
Однако известная конструкция лампы недостаточна эффективна из-за того, что у ртутных ламп местоположение «холодной» точки зависит от множества параметров (например, толщины защитного покрытия, толщины самого кварцевого стекла, геометрии лампы и прочих). Поэтому «холодная точка» может носить размытый характер, так, что вся поверхность колбы будет иметь примерно одинаковую температуру. В этом случае, согласно указанному в аналоге решению, для защиты следует закрывать слишком большую поверхность колбы лампы, что приведет к значительным потерям УФ излучения даже в случае применения светопропускающих материалов (например, кварца, увиолевого стекла).
К недостаткам аналога можно также отнести отсутствие раскрытия способа крепления такого экрана на колбе лампы, что является технически значимым для данного решения, а также можно отметить, что стойкость к воздействию УФ излучения таких материалов как полистирол и полиуретан в УФ-С диапазоне является незначительной, и эти материалы под воздействием УФ излучения с длиной волны 254 нм достаточно быстро разрушаются (патент ЕР 1975976, H01J 61/34, 2008 г.).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является ртутная амальгамная бактерицидная лампа низкого давления, предназначенная для дезинфекции воздушных сред, в которой, в качестве средства для поддержания оптимальной температуры амальгамы, используется воздухонепроницаемая насадка, установленная вокруг лампы с воздушным зазором непосредственно в месте расположения амальгамы. Насадка выполняется из материала, устойчивого к воздействию УФ излучения (кварц, политетрафторэтилен и др.). Предложенное в прототипе техническое решение с организацией над амальгамой специальной термоизолированной полости, препятствующей движению воздуха непосредственно над амальгамой, практически исключает потери тепла (теплового излучения плазмы) за счет конвекции, а также за счет уменьшения теплопередачи, обусловленной теплопроводностью через воздушный зазор и стенку материала полости.
В качестве недостатков прототипа можно указать следующие:
- для удержания термоизолирующей полости над амальгамой предлагается использовать термоусадочные пленки из PTFE (тефлона). Однако, хорошо известно, что при нагревании от теплового излучения плазмы, температура стенки современных амальгамных ламп может достигать 150С, а при большом числе циклов нагревания/охлаждения при включении/выключении лампы, эластичность пленок из фторопласта снижается, и вся конструкция может заметно перемещаться по колбе лампы. Это может привести к выходу места расположения амальгамы за пределы термоизолированной полости. Особенно актуальной эта проблема становится при вертикальном расположении ламп или при эксплуатации в условиях заметной вибрации, например, при обеззараживании воздуха на транспорте. Таким образом, недостаточная фиксация термоизолированной полости над местом расположения амальгамы снижает надежность всей конструкции лампы;
- кроме того, использование термоусадочных пленок приводит к «закрытию» значительной площади излучения УФ лампы. Даже несмотря на то, что PTFE является относительно прозрачным материалом для длины волны 254 нм (например, пленка толщиной 0.3 мм поглощает 7-10% потока излучения), нельзя не учитывать эти потери (Патент РФ 2325727, H01J 61/28, 2007 г.);
Таким образом, основной проблемой прототипа является недостаточная надежность фиксации средства для термоизоляции амальгамы на колбе лампы. Для решения этой проблемы в предлагаемой полезной модели используется пружина постоянного давления (ППД), которая обеспечивает простую и надежную фиксацию теплоизоляционного материала, служащего защитным экраном, на колбе лампы за счет сильного прижима.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в упрощении и повышении надежности всей конструкции лампы за счет повышения надежности фиксации защитного экрана на колбе лампы.
Указанный технический результат достигается тем, что в ртутной амальгамной лампе низкого давления, содержащей кварцевую герметичную колбу, на внутренней поверхности которой нанесены одно или несколько пятен амальгамы, место размещения каждого из которых закрыто защитным теплоизолирующим экраном, закрепленным сверху на внешней стенке колбы, согласно полезной модели, экран зафиксирован на внешней стенке колбы посредством пружины постоянного давления.
АП
экрана
АП
экрана
АП
Целесообразно выбирать размеры теплоизолирующего экрана, одетого на колбу лампы, таким образом, чтобы вся поверхность амальгамного пятна была закрыта термоизоляционным материалом с запасом из соотношения 3,0 D>L>1,5 D, где L - длина теплоизолирующего экрана (высота цилиндра), a D - максимальный размер фигуры пятна амальгамы вдоль продольной оси колбы.
АП
Такое соотношение выбирается из соображений обеспечения достаточной площади для защиты амальгамного пятна (и, соответственно, самой амальгамы) и минимизации перекрытия полезной излучающей площади лампы. Указанное соотношение справедливо для любой формы амальгамного пятна (например, овал, прямоугольник, круг или любая иная форма). Например, в случае круглого пятна, за размер D следует принять его диаметр.
Для теплоизолирующего экрана следует использовать материалы с низкой теплопроводностью и достаточной стойкостью к УФ излучению. К таким материалам можно отнести различные сорта картона и стекловолокна.
Как хорошо известно, стандартная температура колбы лампы в районе амальгамы составляет около 100°С, а для высокомощных ламп типа Hight Output, High Power может достигать 150°С. Однако, даже длительная «выдержка» пружин постоянного давления при таких температурах не приводит к ухудшению эластичности пружины и снижению надежности контакта. Кроме того, установлено, что и явление так называемой «термокачки», возникающее при многочисленных включениях/выключениях лампы, также не приводит к ухудшению надежности соединения «пружина - экран - колба».
Достоинством указанного соединения является также то, что за счет высоконадежного соединения и постоянного равномерного прижима, для экрана можно использовать менее стойкие к УФ излучению и более доступные материалы, чем, например, широко использующиеся фторполимеры типа PTFE и FEP, так как надежная фиксация не позволяет материалу прокладки покинуть зону прижима даже в случае частичного разрушения.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана амальгамная лампа и область колбы лампы, в которой расположено амальгамное пятно, закрытое теплоизолирующим защитным экраном, а на фиг. 2 приведены сравнительные зависимости выхода УФ излучения от скорости потока воздуха для лампы без за1цитного экрана (кривая 1) и с защитным экраном, зафиксированным посредством ППД (кривая 2). Амальгамная лампа 1 состоит из кварцевой колбы 2, на внутренней стороне которой нанесены одно или несколько пятен 3 амальгамы. Место расположения амальгамы закрыто защитным экраном 4 из термоизоляционного уплотняющего материала, закрепленного на колбе при помощи пружины 5 постоянного действия.
Пример реализации:
АП
Ртутная амальгамная лампа низкого давления типа АНЦ 270П3 представляет собой источник излучения с длиной волны 254 и предназначена для обеззараживания воздуха и поверхности. Лампа используется в облучателях, рециркуляторах, а также в установках для обеззараживания воздуха на транспорте. Лампа имеет кварцевую U-образную колбу диаметром 19 мм и толщиной стенки трубки 1.2 мм, в которую методом заштамповки введены два вольфрамовых электрода, имеющие эмиссионное покрытие. Длина лампы составляет 695 мм, радиус изгиба - 50 мм. Разряд в лампе зажигается на аргон-неоновой смеси, затем в процессе разогрева амальгамы пары ртути попадают в разряд, где происходит процесс их возбуждения и ионизации. Амальгама представляет собой сплав ртути с индием. На внутренних сторонах кварцевой U-образной колбы расположены два круглых амальгамных пятна с D=11 мм.
Сверху на колбу, в области размещения каждого пятна амальгамы, однослойно надевается защитный экран, выполненный из картона прокладочный марки АС толщиной 1 мм и шириной 16 мм. Для фиксации картонной прокладки используется металлическая (стальная) пружина постоянного давления типа КВТ-2, диаметром 14 мм и шириной 16 мм. Конструкция собирается таким образом, чтобы амальгамное пятно оказалось приблизительно под центром защитного экрана, состоящего из картонной прокладки и ППД.
Работа лампы с защитным экраном, зафиксированным на колбе посредством ППД и без пружины, характеризуют зависимости, представленные на фиг. 2. Сначала лампа испытывалась на специальном воздушном стенде, в котором предусмотрена возможность регулировки скорости потока воздуха. Измерения проводились при температуре воздуха Т=20С.
Как видно из характеристик кривой 1, представленной на фиг. 2, амальгама лампы в этом случае переохлаждена, что приводит к обеднению газовой смеси лампы ртутью и резкому уменьшению выхода УФ излучения. Затем на ту же лампу надевают защитный экран из картона, прижатого пружиной постоянного давления. Из характеристик соответствующей кривой 2 следует, что даже при очень высоких скоростях воздуха (скорости в 7-8 м/с в системах вентиляции и кондиционирования на практике являются предельными) существенного изменения УФ потока лампы не происходит. При более низких температурах воздуха может использоваться более толстый слой изоляционного материала или два и более слоев, а для фиксации использоваться ППД большего (следующего) диаметра.