ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована при производстве ламп накаливания.
Известна лампа накаливания с интерференционным покрытием (патент РФ №2201638 Н01К 7/00, опубл. 27.03.2003), содержащая кварцевую галогенную лампу, встроенную в горловину отражателя с помощью термостойкой мастики, причем внешняя часть горловины отражателя выполнена в виде цилиндра, а внутренняя часть - в виде усеченного конуса, значение отношения диаметра нижнего основания горловины к диаметру верхнего основания горловины находится в диапазоне от 1.2 до 1.3, а отношения диаметров выходного выходного отверстия отражателя, нижнего основания горловины и колбы кварцевой галогенной лампы имеют вид 8:3:2.5.
В данном устройстве интерференционное покрытие нанесено на боковую поверхность отражателя.
Известен источник света (патент РФ №2260226 Н01К 1/14, опубл. 10.09.2005), содержащий колбу, расположенную в колбе нить и нагревательное устройство для нити, причем нить имеет плоский отрезок и излучает как видимый свет, так и тепловое излучение, колба имеет на своей внутренней поверхности многослойное спектрально селективное диэлектрическое зеркальное покрытие, отражающее тепловое излучение и пропускающее видимое излучение, а
поверхность нити обеспечивает возможность высокого поглощения отраженного теплового излучения.
Наиболее близкой по технической сущности и принятой за прототип является лампа накаливания с отражающим покрытием (патент США №6111344 H01J 5/16, опубл. 29.08.2000), содержащая герметичную осесимметричную стеклянную колбу с двумя выведенным наружу электродами, внутри которой вдоль оси симметрии колбы расположена нить накаливания, концы которой закреплены на концах электродов, а поверхность колбы имеет многослойное диэлектрическое покрытие, селективно отражающее свет преимущественно в инфракрасном диапазоне спектра.
Недостатком данного устройства является малый срок службы диэлектрического покрытия, низкая эффективность и высокое энергопотребление.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности светоотдачи.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, состоящего в уменьшении энергопотребления с одновременным увеличением срока службы диэлектрического покрытия.
Данный технический результат достигается тем, что в лампе накаливания, содержащей герметичную осесимметричную стеклянную колбу с двумя выведенным наружу электродами, внутри которой вдоль оси симметрии колбы расположена нить накаливания, концы которой закреплены на концах электродов, а по меньшей мере одна из поверхностей колбы имеет многослойное диэлектрическое покрытие, селективно отражающее свет преимущественно в
инфракрасном диапазоне спектра, количество слоев N покрытия удовлетворяет условию 3≤N≤9, оптическая толщина каждого слоя nd удовлетворяет условию 0.35λ≤nd≤0.65λ, где λ=2 мкм и не совпадает с толщиной по крайней мере одного из соседних слоев, а геометрическая толщина покрытия D удовлетворяет условию 2.5 мкм<D<13 мкм.
Кроме того, по меньшей мере одна из поверхностей колбы имеет диэлектрическое покрытие, просветляющее ее для видимого диапазона спектра.
Лампы накаливания рассматриваемого вида широко известны на практике и производятся серийно в различных формах и размерах. Источником электромагнитного излучения в них, как правило, является проволочная нить, выполненная из тугоплавкого электропроводного материала, например, из вольфрама. Эту нить нагревают до максимально высокой температуры близкой к температуре плавления материала путем пропускания через нее электрического тока. Нагретое до высокой температуры тело нити испускает излучение, меньшая часть спектра которого попадает в видимый диапазон, а большая часть - в инфракрасный. При повышении температуры эффективность светоотдачи раскаленной нити в видимом диапазоне увеличивается. Тем не менее, при рабочей температуре вольфрамовой нити 2800°С максимум спектральной плотности излучения не достигает видимого диапазона и соответствует длине волны излучения порядка 2 мкм. Общим недостатком известных электрических лам накаливания является низкая эффективность светоотдачи, т.е. отношение мощности видимого светового потока к электрической мощности, подводимой к
нити, т.к. наибольшая доля расходуемой электрической мощности приходится на производство бесполезного, а точнее вредного невидимого теплового потока.
Повышение эффективности ламп накаливание возможно за счет использования мощности теплового потока для дополнительного нагрева нити. В известных лампах накаливания, использующих этот принцип, конструкция колбы предусматривает возможность отражения части излучаемого теплового потока обратно на тело нити. Для этого колбу выполняют осесимметричной, а нить накаливания размещают внутри колбы преимущественно вдоль ее оси (как в прототипе). Отраженный от поверхности колбы тепловой поток возвращается обратно на нить. При этом материал нити должен поглощать это отраженное излучение и увеличивать свою температуру. Дополнительный разогрев открывает возможность уменьшения подводимой электрической мощности и повышения, тем самым, эффективности светоотдачи.
Задача отражения теплового потока с одновременным пропусканием видимого излучения решается за счет нанесения на поверхность колбы лампы спектрально селективного диэлектрического покрытия. При этом для достижения наибольшего коэффициента отражения обычно стремятся использовать многослойные (как в прототипе, до 20 слоев и более) системы. Такие покрытия состоят из чередующихся слоев материалов, имеющих высокий и низкий показатель преломления. Оптическая толщина каждого слоя равна половине длины волны излучения, для которой требуется обеспечить максимальный коэффициент отражения. Однако, классический подход формирования селективно отражающего покрытия при решении задачи отражения теплового потока лампы накаливания
является не оптимальным. Это связано с тем, что увеличение количества слоев в покрытии влечет за собой появление паразитных максимумов коэффициента отражения в видимом диапазоне. Кроме этого, стремление к увеличению коэффициента отражения неизбежно приводит к сужению спектрального интервала длин волн, для которого это отражение достигается с наибольшей эффективностью. Кроме этого, увеличение количества слоев в покрытии приводит к уменьшению срока службы отражающего покрытия, т.к. жесткие условия эксплуатации, сопряженные с многократным нагревом до 250°С и последующим охлаждением приводят к деградации многослойных систем значительно быстрее, чем для систем с меньшим количеством слоев.
Для достижения заявленного технического результата в предлагаемой полезной модели авторами проведена оптимизация структуры многослойного диэлектрического покрытия, наносимого по крайней мере на одну из поверхностей осесимметричной колбы лампы. Авторами показано, что оптимальными диэлектрическими покрытиями, предназначенными для эффективного селективного отражения теплового излучения в широком диапазоне спектра с одновременным сохранением их высокого пропускания в видимом диапазоне и срока службы являются малослойные системы с количеством слоев N, удовлетворяющих условию 3≤N≤9. Показано, что однослойное отражающее покрытие недостаточно отражает тепловой поток, а покрытия с числом слоев более 9 начинают заметно отражать световой поток в видимом диапазоне спектра. Для того, чтобы обеспечить существенное отражение теплового излучения интегрально в широком диапазоне инфракрасной части спектра авторы предлагают
2
2
использовать в покрытии разупорядоченные по оптической толщине слои так, чтобы оптическая толщина каждого слоя nd удовлетворяла условию 0.35λ≤nd≤0.65λ, где λ=2 мкм и не совпадала с толщиной по крайней мере одного из соседних слоев. Подобная геометрия, как показывают расчеты, обеспечивает наилучшую эффективность светоотдачи в видимом диапазоне спектра. В качестве высокопреломляющего материала для покрытий авторы предлагают использовать ТiO, показатель преломления которого при рабочей температуре поверхности лампы достигает значения 2.55. В качестве низкопреломляющего материала может быть использован SiO. При этом, общая геометрическая толщина покрытия D для того, чтобы обеспечить продолжительный срок его службы, должна удовлетворять условию 2.5 мкм<D<13 мкм. Описанное покрытие должно быть нанесено по меньшей мере на одну (рекомендуется на внутреннюю) поверхность колбы лампы.
С целью еще большего повышения эффективности светоотдачи лампы накаливания авторы предлагают дополнительно наносить по меньшей мере на одну (рекомендуется на внутреннюю) поверхность колбы лампы диэлектрическое покрытие, просветляющее ее для видимого диапазона спектра.
В представленной ниже таблице 1 приведены результаты расчета энергопотребления ламп накаливания с покрытиями с разными вариациями количества слоев и их толщин, нанесенными на внешнюю поверхность колбы и образующих интерференционные фильтры. В обозначениях структуры покрытия использованы символы «В» и «Н», означающие слои с высоким и низким показателем преломления. Коэффициенты при символах означают оптическую толщину слоя в единицах длины волны, которая принималась равной 2 мкм.
Расчет проведен с учетом излучаемой энергии вольфрамовой нити и поглощательной способности вольфрама, а также с учетом распределения
интегральной зависимости энергии от длины волны.
Таблица 1
кол-во слоев
структура покрытия
толщина покрытия, мкм
экономия энергии, %
3
0,45В 0,65Н 0,35В
2,90
20,59
0,65В 0,51Н 0,42В
3,16
20,24
4
(0,525В 0,63Н)<sup>2</sup>
4,62
19,92
(0,548В 0,375Н)<sup>2</sup>
4,79
20,06
5
(0,545В 0,65Н)<sup>2</sup> 0,35В
3,09
23,35
(0,64В 0,56Н)<sup>2</sup> 0,37В
3,14
23,08
6
(0,625В 0,3125Н)<sup>3</sup>
5,63
21,88
(0,35В 0,65Н)<sup>3</sup>
6,00
22,09
7
(0,35В 0,625Н)<sup>3</sup> 0,65В
7,15
24,48
(0,65В 0,425Н)<sup>3</sup> 0,35В
7,15
24,77
8
(0,65В 0,35Н)<sup>4</sup>
8,00
22,18
(0,46В 0,65Н)<sup>4</sup>
8,88
23,32
9
(0,35В 0,65Н)<sup>4</sup> 0,61В
9,22
25,42
(0,64В 0,41Н)<sup>4</sup> 0,35В
9,10
24,36
В таблице 1 приведены результаты расчета энергопотребления ламп накаливания с покрытиями с разными вариациями количества слоев и их толщин, нанесенными на внешнюю поверхность колбы и образующих интерференционные фильтры. В обозначениях структуры покрытия использованы символы «В» и «Н», означающие слои с высоким и низким показателем преломления. Коэффициенты при символах означают оптическую толщину слоя в единицах длины волны, которая в расчетах принималась равной 2 мкм. Расчет проведен с учетом излучаемой энергии вольфрамовой нити и поглощательной способности вольфрама, а также с учетом распределения интегральной зависимости энергии от длины волны.
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что технический результат достигается во всех диапазонах заявляемых значений (указанных в формуле полезной модели интервалов) при различных сочетаниях значений (соотношений размеров) из каждого интервала. Видно, что увеличение числа слоев свыше оптимального становится не выгодным, так как при этом требуются специальные приемы нанесения материалов, а дополнительный эффект экономии энергии будет минимальным. Кроме этого, нанесение покрытий с количеством слоев меньше 3 и больше 9 для данной задачи является нецелесообразным, так как использование малослойных покрытий не приводит к экономии энергии, а применение многослойных покрытий из-за увеличения общей геометрической толщины приводит к усилению возникающих внутри покрытия напряжений из-за разницы теплового коэффициента расширения материала и плохой теплопроводности применяемых материалов. Это приводит к снижению срока службы покрытия: после нескольких часов работы покрытие разрушается, а в результате значительно снижается надежность работы лампы.
Совокупность заявляемых признаков является новой, обеспечивает достижение указанного технического результата и позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить эффективность светоотдачи с одновременным увеличением срока службы диэлектрического покрытия по сравнению с прототипом.