Галогенная лампа накаливания

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников света, в том числе предназначенных для прямой замены ламп накаливания общего назначения и компактных люминесцентных ламп. Полезная модель направлена на расширение области применения галогенной лампы накаливания за счет повышения светоотдачи (отношение светового потока к общей потребляемой мощности, лм/Вт), надежности работы, среднего срока службы, эксплуатационного ресурса и снижения стоимости.
Известна галогенная лампа накаливания, содержащая цоколь и сопряженную с ним механически светоизлучающую колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, с элементом накала, соединенным электрически с цоколем, и заполненную рабочим веществом, включающим буферный газ с добавками галогенов (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/ «GE Lighting», 2009, С. 121).
Недостатком известной галогенной лампы накаливания является узкая область применения из-за низкой светоотдачи, что обусловлено конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение). Светоотдача аналога галогенной лампы накаливания составляет менее 20 лм/Вт. Лампа-аналог имеет также низкую надежность работы, малые средний срок службы и эксплуатационный ресурс.
Известна галогенная лампа накаливания, содержащая цоколь и сопряженную с ним механически внешнюю герметичную светорассеивающую колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, заполненную смесью газов азота и аргона, с электродами и с установленной внутри светоизлучающей колбой с элементом накала, соединенным электрически через электроды с цоколем, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ с добавками галогенов (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/ «GE Lighting», 2009, С. 123).
Недостатком галогенной лампы накаливания является узкая область применения из-за низкой светоотдачи, что обусловлено конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение), поглощением и потерями части световой энергии в объеме материала светорассеивающей колбы, потерями энергии в наполняющей внешнюю колбу смеси газов. Светоотдача известной галогенной лампы накаливания не превышает 20 лм/Вт. Галогенная лампа имеет низкую надежность работы, малые средний срок службы и эксплуатационный ресурс.
Известна галогенная лампа накаливания, содержащая цоколь и сопряженную с ним механически внешнюю герметичную светорассеивающую колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, заполненную смесью газов азота и аргона, с электродами и с установленной внутри светоизлучающей колбой с элементом накала, соединенным электрически через электроды с цоколем, изготовленной из оптически прозрачного материала с покрытием, отражающим инфракрасное излучение, и заполненной рабочим веществом под давлением от 2,5 до 25 бар, включающим буферный газ с добавками галогенов (Источники света. Каталог Osram / «Osram», 2010, С. 2.10).
Недостатком галогенной лампы накаливания является узкая область применения из-за сравнительно низкой светоотдачи, что обусловлено особенностями конструкции, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, остающихся за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое излучение) и не используемых, поглощением части световой энергии в объеме материала внешней светорассеивающей колбы, потерями энергии в смеси газов, наполняющей внешнюю колбу. Светоотдача известной галогенной лампы накаливания, относящейся к типу IRC (с покрытием, селективно отражающим инфракрасное излучение), достигает только 20-22 лм/Вт. Лампа имеет и сравнительно низкую надежность работы, малые средний срок службы (2000 ч) и эксплуатационный ресурс, высокую стоимость (дополнительные технологические операции при изготовлении и значительный расход газа (смеси азота и аргона) для наполнения внешней светорассеивающей колбы).
Известна галогенная лампа накаливания, содержащая цоколь и сопряженную с ним механически внешнюю герметичную светорассеивающую колбу с люминофорным покрытием, изготовленную из оптически прозрачного материала, заполненную азотом, технически чистым воздухом или элегазом, с электродами и с установленной внутри светоизлучающей колбой с элементом накала, соединенным электрически через электроды с цоколем, изготовленной из оптически прозрачного материала с покрытием, отражающим инфракрасное излучение, и заполненной рабочим веществом под давлением от 2 до 30 бар, включающим буферный газ с добавками галогенов (П. 109328. Галогенная лампа накаливания/ Е.М. Силкин // 3аявл. 27.04.2011. Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28).
Указанная галогенная лампа накаливания является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком галогенной лампы накаливания является узкая область применения из-за сравнительно низкой светоотдачи, что обусловлено конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое излучение) и не используемых, поглощением части световой энергии в объеме материала светорассеивающей колбы и люминофорного покрытия, потерями энергии в газе, наполняющем внешнюю светорассеивающую колбу. Светоотдача известной галогенной лампы накаливания, также относящейся к типу IRC (с покрытием, селективно отражающим инфракрасное излучение), может составлять до 30 лм/Вт. Некоторое повышение светоотдачи достигается за счет вклада различных типов люминесценции. Лампа имеет (что также сужает область применения) и сравнительно низкую надежность работы, малые средний срок службы (3000 ч) и эксплуатационный ресурс, высокую стоимость (дополнительные технологические операции при изготовлении, наличие люминофоров и расход газа для наполнения внешней светорассеивающей колбы).
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения галогенной лампы накаливания, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что:
1. Галогенная лампа накаливания содержит цоколь и сопряженную с ним механически внешнюю вакуумированную светорассеивающую колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала, с электродами и с установленной внутри светоизлучающей колбой с элементом накала, соединенным электрически через электроды и предохранитель с цоколем, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной рабочим веществом под давлением от 1 до 30 бар, включающим буферный газ с добавками галогенов;
2. Светоизлучающая колба имеет покрытие, отражающее и поглощающее инфракрасное излучение;
3. Светоизлучающая колба изготовлена из материала, отражающего и поглощающего ультрафиолетовое излучение, а последовательно с предохранителем включен дополнительный защитный элемент.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения за счет повышения светоотдачи галогенной лампы накаливания на 8-10% (улучшение эксплуатационных характеристик), что обусловлено новыми принципами преобразования электрической энергии в световую, сочетанием теплового излучения в видимой области и контроля за областями невидимого излучения, эффективным использованием всех составляющих спектра излучения, спецификой устройства (конструкции) и новыми элементами. Лампа имеет низкую температуру внешних частей, допуск к эксплуатации в открытых светильниках (соответствие стандарту МЭК 60598-1). Новая лампа обладает высокой надежностью работы, большими средним сроком службы (до 5 тыс. ч) и эксплуатационным ресурсом (до 12 тыс. ч). Лампа может быть снабжена предохранителем (соответствие МЭК 60432-2) и дополнительным защитным элементом, обеспечивающим мягкое включение. Преимущества галогенной лампы накаливания: сравнительно низкая стоимость; небольшие размеры; отсутствие пускорегулирующей аппаратуры; малое время зажигания; отсутствие токсичных компонентов и, как следствие, необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации; возможность работы как на постоянном (любой полярности), так и на переменном токе; возможность изготовления ламп на разное напряжение (от долей до сотен вольт); отсутствие мерцания и шума при работе на переменном токе; низкий спад светового потока; практически непрерывный спектр излучения; устойчивость к электромагнитному импульсу; нормальная работа при низких температурах окружающей среды; возможность использования разработанных регуляторов яркости в широких пределах.
Расширение области применения галогенной лампы накаливания является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами устройства и преобразования электрической энергии в световое излучение, особенностями новой конструкции и новыми элементами, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой галогенной лампы накаливания являются существенными.
На чертеже приведена типовая конструкция галогенной (одноцокольной) лампы накаливания со стандартным сетевым цоколем (типа Е27).
Галогенная лампа накаливания содержит цоколь 1 и сопряженную с ним механически внешнюю вакуумированную светорассеивающую колбу 2, изготовленную из оптически прозрачного материала, с электродами 3 и с установленной внутри светоизлучающей колбой 4 с элементом накала 5, соединенным электрически через электроды и предохранитель 6 с цоколем, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной рабочим веществом под давлением от 1 до 30 бар, включающим буферный газ с добавками галогенов (и/или соответствующих химических соединений галогенов). Светоизлучающая колба может иметь покрытие, отражающее и поглощающее инфракрасное излучение и быть изготовленной из материала, отражающего и поглощающего ультрафиолетовое излучение. Последовательно с предохранителем может быть включен дополнительный защитный элемент 7.
Галогенная лампа накаливания в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 1 стандартного вида (Е14, Е27, В22) лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока напрямую или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Внешняя вакуумированная светорассеивающая колба 2 из оптически прозрачного материала является важной частью конструкции, которая выполняет несущую, защитную, светорассеивающую и утепляющую функции. Она может быть изготовлена в прозрачном, матовом, опаловом или молочном исполнениях. Матирование обеспечивает равномерность распределения яркости по поверхности светорассеивающей колбы 2, устраняет слепящий эффект и, частично, снижает уровни ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре лампы. Матирование внешней колбы 2 также несколько снижает светоотдачу лампы. Внешняя светорассеивающая колба 2 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 1. Колба 2 снабжена впаянными электродами 3, предназначенными для электрического соединения светоизлучающей колбы 4 с элементами внешней электрической цепи. Светоизлучающая колба 4, изготовленная из оптически прозрачного материала, может быть выполнена с инфракрасным покрытием (отражающим и/или поглощающим инфракрасное излучение и пропускающим видимое и ультрафиолетовое излучение), содержит элемент накала 5 (с выводами), соединяемый электрически через предохранитель 6 с цоколем 1, и заполнена рабочим газообразным веществом под давлением 1÷30 бар, включающим буферный газ и добавки галогенов (и/или соответствующих химических соединений галогенов с другими химическими элементами, например бромистый метил или бромистый метилен). Добавление в буферный газ галогенов (брома, хлора, фтора, йода или их соединений) повышает срок службы лампы до 5÷12 тыс. ч. При этом рабочая температура элемента накала составляет примерно 3000 К. Йод (если он, например, используется) совместно с остаточным кислородом в светоизлучающей колбе 4 вступает в химическое соединение с испарившимися из элемента накала 5 атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым. При высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Испарившиеся атомы вольфрама высвобождаются, таким образом, либо на самом элементе накала 5 светоизлучающей колбы 4, либо вблизи него. Добавление галогенов (или их соединений) предотвращает осаждение вольфрама на оптически прозрачном материале светоизлучающей колбы 4, при условии, что температура материала колбы 4 выше 250÷300°C. По причине отсутствия почернения светоизлучающей колбы 4 галогенной лампы накаливания (из-за обратимости галогенного цикла) ее можно изготавливать с очень компактными размерами. Сравнительно малый объем светоизлучающей колбы 4 позволяет, с одной стороны, использовать большее (1÷30 бар) рабочее давление (что также ведет к уменьшению скорости испарения материала элемента накала 5) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять светоизлучающую колбу 4 тяжелыми инертными (буферными) газами, например ксеноном, что ведет к уменьшению потерь энергии за счет теплопроводности. Вакуумирование внешней колбы 2 «утепляет» светоизлучающую колбу 4, что снижает потери энергии (теплоотдачу) и оптимизирует ее рабочую температуру. Обеспечивается возможность эффективного использования любых буферных газов в рабочем веществе светоизлучающей колбы 4. Диапазон рабочих давлений (при сохранении диффузионного состояния в светоизлучающей колбе 4) значительно расширяется. Все это также удлиняет срок службы галогенной лампы накаливания и повышает ее светоотдачу. Заявляемая лампа является так называемой IRC-галогенной лампой накаливания (IRC означает «инфракрасное покрытие»). На светоизлучающую колбу 4 лампы, в этом случае, может быть нанесено специальное покрытие (например, окись олова или индия), которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к элементу накала 5. То есть часть энергии, которая в обычных галогенных лампах накаливания преобразуется в невидимое инфракрасное излучение (более 60%), в лампах с инфракрасным покрытием преобразовывается обратно в свет. Указанное становится возможным благодаря структуре покрытия, которое возвращает инфракрасное излучение на элемент накала, где оно частично поглощается. Возврат тепла вызывает повышение температуры элемента накала 5, вследствие чего подачу электроэнергии можно снизить. В заявляемом варианте технического решения покрытие светоизлучающей колбы 4 может и частично поглощать инфракрасное излучение. За счет низкой теплоотдачи к внешней колбе 2 (вакуумирование) поглощенная энергия инфракрасного излучения повышает температуру стенок светоизлучающей колбы 4, что оптимизирует галогенный цикл и повышает коэффициент полезного действия процесса. Светоизлучающая колба 4 также может быть выполнена из материала отражающего и поглощающего ультрафиолетовое излучение (например, из кварцевого стекла с абсорбирующими добавками оксидов некоторых «тяжелых» металлов). Энергия ультрафиолетового излучения, как и энергия инфракрасного излучения, практически полностью используется для повышения температуры стенок светоизлучающей колбы 4 и тела накала 5. Именно за счет этого уменьшаются общие потери энергии и, как следствие, увеличивается светоотдача лампы. Одновременно, как минимум, удваивается срок службы новой лампы (по сравнению с обычной галогенной лампой накаливания) и эксплуатационный ресурс. За счет вакуумирования температура внешних частей галогенной лампы накаливания (цоколь 1, внешняя колба 2) остается низкой, что исключает, в частности, опасность возгорания окружающих предметов. Встроенная система защиты (предохранитель 6, дополнительный защитный элемент 7 для плавного включения лампы) обеспечивает мгновенное отключение в случае аварийного нарушения электрического режима, а также плавное включение на максимальное напряжение питания, что повышает срок службы и эксплуатационный ресурс.
Предохранитель 6 может быть выполнен, например, в виде отрезка ферроникелевой проволоки. Предохранитель 6 может быть размещен в объеме цоколя 1 или внешней колбы 2 или быть встроенным в светоизлучающую колбу 4.
Защитный элемент 7 может представлять собой терморезистор, сопротивление которого значительно снижается по мере разогрева, или обычный резистор (конденсатор), закорачиваемый после окончания интервала времени предварительного разогрева элемента накала 5 светоизлучающей колбы 4 на пониженном (ограниченном) токе любой из известных электронных схем или биметаллическим контактом. Защитный элемент 7 также устанавливается в объеме цоколя 1 или в объеме (на основе, в частности, биметаллического контакта) внешней колбы 2.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения галогенной лампы накаливания.
Новую лампу можно использовать в закрытых и открытых (без защитного стекла) светильниках для внутреннего и наружного освещения, при отрицательных температурах (до -60°C), в условиях тряски и ограниченных ударов.
Повышается светоотдача галогенной лампы накаливания при сохранении всех ее преимуществ. Это обеспечивается за счет полного использования энергии составляющих спектра излучения и снижения теплоотдачи от конструктивных элементов. Светоотдача новой галогенной лампы накаливания (за счет совместного эффективного использования теплового излучения и энергии излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах) может быть повышена на 5÷10% (до 33 лм/Вт).
Дополнительно, по сравнению с прототипом, за счет значительного снижения температуры внешних частей конструкции, возможности выравнивания яркости по поверхности светорассеивающей колбы и исключения слепящего эффекта (матирование), снижения стоимости (упрощение технологии) также расширяется область применения новой галогенной лампы накаливания.
Новая галогенная лампа накаливания может быть, в частности, использована не только как прямая замена обычных ламп накаливания, а также распространенных галогенных ламп, но и для замены компактных люминесцентных в различных системах освещения (энергетический коэффициент полезного действия компактных люминесцентных ламп ниже, чем у заявляемой галогенной лампы накаливания).