ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ ЛАМПА
GAS-DISCHARGE REFLECTOR LAMP

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности усовершенствует конструкцию газоразрядных зеркальных ламп для целей общего и специального освещения.
Известна газоразрядная зеркальная лампа, содержащая горелку, смонтированную на токовводах в круглосимметричную колбу, не менее половины внутренней поверхности которой покрыто зеркальным слоем так, что плоскость, проходящая через его продольные края, параллельна оси горелки, которая находится на продольной плоскости симметрии и смещена от оси колбы к зеркальному слою (пат. РФ №2280913 от 28.02.2005 г.).
Данное техническое решение, взятое за аналог, позволяет получать лампы с высокой световой отдачей, с различающимися в продольной и поперечной плоскостях кривыми силы света.
Основным недостатком аналога является существенно отличающееся от оптимального распределение силы света в поперечной плоскости освещения. Кривая силы света (КСС) лампы-аналога ДНаЗ 250-С (изготовитель - фирма «ЭКОЛЮМ») имеет косинусную характеристику, что делает крайне неэффективным ее применение для освещения дорог, парниковых хозяйств и т.п.
Наиболее близкой по технической сути является газоразрядная зеркальная лампа, содержащая горелку, смонтированную на токовводах в колбу, не менее половины внутренней поверхности которой покрыто зеркальным слоем так, что плоскость, проходящая через его продольные края, параллельна продольной оси горелки, а между горелкой и зеркальным слоем выполнен электрически изолированный от токовводов зеркальный отражатель с V-образным поперечным профилем (пат. РФ №2371805 от 05.09.2008 г.).
Данное техническое решение, взятое за прототип, позволяет получать лампы с высокой световой отдачей, с близкими к оптимальным кривыми силы света в продольной и поперечной плоскостях, что важно при использовании ламп для освещения дорог, теплиц и т.д.
Недостатком технического решения, взятого за прототип, является короткий срок службы лампы из-за перегрева горелки тепловым потоком от зеркального отражателя и повышенная стоимость эксплуатации, обусловленная частыми заменами ламп.
Целью изобретения является увеличение долговечности газоразрядных зеркальных ламп и снижение стоимости их эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что в газоразрядной зеркальной лампе, содержащей горелку, смонтированную на токовводах в колбе, оптическая система, формирующая кривую светосилы, образована светоотражающим экраном, установленным между горелкой и поверхностью колбы, противоположной направлению выхода излучения, и двумя зеркализованными сегментами этой же поверхности колбы, расположенными симметрично экрану и частично заходящими на поверхность колбы, через которую выводится излучение, а расстояние между краями зеркальных сегментов, расположенных на поверхности колбы, противоположной направлению выхода излучения, составляет от 70% до 100% ширины тени от светоотражающего экрана на этой поверхности, причем излучательная способность отражающей поверхности экрана не более 0,25, а излучательная способность противоположной поверхности экрана не менее 0,6.
Суть изобретения объясняется следующим.
При работе разрядной лампы, внутри колбы которой размещен светоотражающий экран, существенно важными являются коэффициент поглощения, коэффициент отражения и излучательная способность (Кухлинг X. Справочник по физике. М., Мир, 1982 г., с.209: излучательная способность ε любого тела равна его коэффициенту поглощения α при заданной температуре и длине волны) светоотражающего экрана и условия теплоотвода от него.
Теория и практика подтверждают, что перегрев горелки приводит к увеличению напряжения горения разряда и снижению срока службы газоразрядной лампы (повышение напряжения горения на 1-2 В примерно эквивалентно каждой тысяче часов горения. Г.Н.Рохлин. Разрядные источники света. М., Энергоатомиздат, 1991 г., стр.665).
Если внутри колбы разрядной лампы установлен светоотражающий экран, то часть энергии теплового и светового излучения горелки и часть теплового излучения внешней колбы, нагретой до уровня 573 К-650 К, определяемые поглощающей способностью материала светоотражающего экрана, приводят к его нагреву. Даже если геометрия отражающей поверхности светоотражающего экрана выполнена таким образом, что отраженные от него световые лучи проходят мимо горелки, то тепловое излучение, источником которого является нагретый светоотражающий экран, будет попадать на горелку, приводя к ее перегреву.
2
Проведена оценка температуры, до которой нагревается светоотражающий экран лампы-прототипа с горелкой от натриевой лампы мощностью 400 Вт и экраном из полированной стали, имеющей коэффициент поглощения α=0,25 и излучательную способность ε=0,25. При соблюдении размеров и геометрического расположения горелки и светоотражающего экрана, указанных в прототипе, площадь светоотражающего экрана составит 0,0037 м, а часть мощности излучения горелки, попадающая на экран, будет равна порядка 120 Вт. С учетом коэффициента поглощения, равного 0,25, на нагрев экрана приходится 30 Вт. В соответствии с выражением «Т18.14» (Кухлинг X. Справочник по физике. М., Мир, 1982 г., с.210):
4
Р=σεAT,
где - P - мощность излучения;
-8
-2
-4
- σ - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7·10 Вт·м·К;
- ε - излучательная способность материала;
- A - площадь нагреваемого тела;
температура экрана составит около Т=878 К.
Кроме того, экран нагревается частью теплового излучения колбы, имеющей Т≈570 К. Прямые измерения показывают, что в установившемся режиме температура отражающего экрана равна 993 К (680°C), а напряжение на горелке повышено до 123 В вместо напряжения 98 В при работе лампы без экрана.
Для устранения перегрева горелки предлагается применение светоотражающего экрана, у которого отражающая поверхность, обращенная к горелке, обладает ε≤0,25, а противоположная ей излучающая поверхность, расположенная на тыльной стороне экрана, имеет ε≥0,6. В этом случае, например, при крайних значениях 8 поглощаемая мощность в 30 Вт будет рассеиваться при температуре экрана, сравнимой с температурой поверхности колбы и не приводящей к перегреву горелки.
Необходимым условием существования описанного механизма работы светоотражающего экрана является отсутствие зеркального слоя на части наружной колбы, противоположной направлению выхода излучения из лампы. В противном случае тепловое излучение экрана, отражаясь от зеркального слоя, будет возвращаться обратно на экран, препятствуя снижению его температуры.
На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемой зеркальной лампы, содержащей горелку 1, установленную в колбу 2, размещенный между ними светоотражающий экран 3 и зеркализованные сегменты внутренней поверхности колбы 4. P - поток теплового излучения от поверхности экрана с высокой излучающей способностью, A - ширина тени от экрана на колбе, штриховые линии -характерные лучи света.
При расстоянии между зеркальными сегментами, большем ширины тени А, часть полезного излучения горелки будет потеряна, а при расстоянии между зеркальными сегментами, меньшем 0,7 ширины тени А, эффект снижения температуры экрана недопустимо уменьшится. Применение отражающей поверхности с ε>0,25 неоправданно снижает коэффициент полезного действия зеркальной лампы, а при использовании противоположной излучающей поверхности с ε<0,6 температура светоотражающего экрана значительно повышается, приводя к перегреву горелки.
Изготовление ламп происходит следующим образом. На заданные участки колбы методами термического распыления или химического осаждения наносят зеркальные слои. Светоотражающий экран изготовлен из стальной полосы толщиной 0,1 мм, одна из плоскостей которой полирована, а на другой выполнено гальваническое или термическое чернение. Присоединяют экран, токовводы, горелку и газопоглотители к стеклянной ножке. Смонтированную ножку вставляют в колбу. Ножку вваривают в колбу, располагая горелку и экран в строго определенном месте относительно зеркальных слоев. К лампе присоединяют цоколь.
Зеркальная лампа работает следующим образом. Одна часть лучей света, образуемых газоразрядной плазмой в горелке, отражается от зеркализованных частей колбы и отражающей поверхности экрана, формирующих требуемую кривую силы света, а другая часть выходит из лампы без отражения через участок колбы без зеркального слоя. Часть лучей, попадающих на светоотражающий экран с высоким коэффициентом отражения (низкой излучающей способностью: ε≤0,25), поглощается экраном, приводя к его нагреву. За счет высокой теплопроводности тонкостенного металлического экрана поглощенная энергия передается на противоположную поверхность с высокой излучающей способностью (ε≥0,6), обеспечивающей интенсивный отвод тепла через незеркализованный участок колбы, поддерживая тем самым температуру экрана на требуемом уровне.
Предлагаемая зеркальная лампа с горелкой от лампы ДНаТ мощностью 400 Вт выполнена в эллипсоидной колбе диаметром 120 мм. Лампа имеет световую отдачу 120 лм/Вт. Кривые силы света данной лампы в продольном и поперечном направлениях аналогичны характеристикам серийно выпускаемых облучателей ОТ 400-ПОП-ДНаТ с пленочными отражающими поверхностями УЩЗТ-15-400-ПОП И (С).
Применение предполагаемого изобретения в производстве зеркальных ламп позволит сохранить высокую световую отдачу в течение длительного времени, снизить эксплуатационные расходы, что позволит при цене ламп 500 руб./шт. и годовом производстве 200 тыс.шт. получить экономический эффект в размере порядка 2 млн руб.