Амальгамная УФ лампа
AMALGAM UV LAMP

Изобретение относится к области светотехники, в частности к газоразрядным лампам низкого давления, и может быть использовано при эксплуатации мощных газоразрядных ламп ультрафиолетового (УФ) излучения, предназначенных для обработки водных и воздушных сред, а также поверхностей.
В настоящее время ртутные и амальгамные газоразрядные УФ лампы широко используются в качестве источника бактерицидного излучения в промышленном, бытовом и медицинском оборудовании для обеззараживания различных сред.
Однако, в связи с широким распространением в данной области техники мощных амальгамных ламп, возникла необходимость в контроле рабочих режимов амальгамной лампы, влияющих на мощность излучения и надежность оборудования, который предусматривает оперативную передачу данных о состоянии лампы с помощью автоматической системы, связанной с программируемым контроллером или электронным пускорегулирующим аппаратом (ЭПРА).
Поэтому разработка конструкции лампы, снабженной средством для осуществления оперативного контроля состояния амальгамной лампы в процессе ее работы, является важной задачей в данной области техники.
Стандартные бактерицидные ртутные лампы и более мощные амальгамные лампы, представляют собой герметичную колбу (кварцевую или из увиолевого стекла), которая откачивается до необходимой величины вакуума и заполняется газовой рабочей смесью, внутри которой содержится источник паров ртути (металлическая ртуть или амальгама). Разряд в колбе зажигается с помощью электродов лампы, которые введены в колбу с двух противоположных сторон. Контакты электродов выводят для подключения или с каждой стороны лампы, или с одной стороны. В последнем случае, на тело лампы навит провод, который соединяет второй электрод для подключения его совместно с другим электродом в общем цоколе (выводы различных электродов электрически развязаны). Для амальгамных ламп, стандартным является размещение всех выводы электродов в одном цоколе, что продиктовано конструкцией и удобством обслуживания УФ установок для обеззараживания, в которых лампу удобно извлекать и устанавливать только с одной стороны.
Ртутные лампы из увиолевого стекла или их кварцевые аналоги выпускаются в диапазоне электрических мощностей от 5 до 155 Вт (преимущественно с номиналами 15, 30, 75 и 90 Вт). При этом лампы отличаются не только по потребляемой электрической мощности, но и различаются по величине тока лампы. В последнее время наибольшее распространение получили амальгамные лампы с током 425 мА и так называемые лампы «повышенной мощности» типа НО, HP (High Output, High Power), а также аналогичные им лампы, ток в которых стабилизируется электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА) или же с помощью электромагнитного балласта, на уровне 800 мА. Температура ртутных ламп с током 425 мА обычно составляет 40-60°С. Поэтому цоколя таких ламп часто выполняются из пластика, текстолита, гетинакса или из других подобных материалов, так как даже с учетом приэлектродных потерь, температура лопатки лампы редко достигает 70-80°С. Цоколя ламп с током 800 мА изготовляются преимущественно из керамики, так как это в этом случае необходимо использовать более стойкие к температуре материалы.
Известна система очистки сточных вод, в которой используются бактерицидные лампы, конструкция цоколя которых предотвращает случайное отключение лампы.
Это достигается за счет обеспечения бактерицидных ламп запирающими контактными штифтами, предназначенными для защелкивания и фиксации в дополнительном гнезде для их приема, а также для приема контактных штырьков и связанных с ними подпружиненных контактов, которые обеспечивают надежность электрического контакта между лампой и ее цоколем в условиях повышенной вибрации из-за протока воды по УФ установке, а также простоту установки лампы. Возможны несколько вариантов подключения лампы с односторонним и двухсторонним подключением подпружиненных контактов. В одном варианте осуществления изобретения контакты ламп смещены в продольном направлении и разнесены друг от друга, для того, чтобы предотвратить искрение между контактами соответствующих электродов лампы, которое может быть вызвано наличием грязи или влаги на поверхностях цоколя. Согласно другим вариантам изобретения, сцепление лампы с ее патроном осуществляют посредством дополнительных защелкивающихся элементов, сформированных на конце лампы и соответствующем гнезде (Патент США US 5422487, H01J 5/50, 1995).
К недостаткам известного технического решения относится ограниченность функций конструкции лампового цоколя исключительно обеспечением надежности электрического контакта лампы в контактном разъеме, а также невозможность его использования для ламп большим ламповым током. Причиной этого является то, что подпружиненное электрическое соединение, которое осуществляется с помощью прижимных дисков, имеет дополнительные точки контакта, создающие дополнительное сопротивление. Для ламп с небольшими мощностями токами такое дополнительное сопротивление не имеет большого значения, так как протекающие через него токи достаточно малы (0.42-0.8 А). Однако, при токах лампы 3-6 А, характерных для более мощных УФ источников - амальгамных ламп, такой контакт может иметь высокое сопротивление из-за его разогрева. Поэтому приемы и технические решения, предложенные в аналоге, не могут быть применены в современных мощных амальгамных лампах.
Известна УФ лампа, используемая в установках для обеззараживания воды и воздуха, которая содержит удлиненную полую герметичную разрядную колбу, выполненную из УФ пропускающего материала, например кварца или стекла, внутри которой содержится газ с парами ртути. Колба имеет противоположные концевые области, разнесенные вдоль продольной оси, в которых установлены электроды. На концах колбы установлены цоколя, выполненные из непроводящего материала, например керамики. Особенностью изобретения являются расположенные на лицевой стороне цоколя лампы приемные («female») контакты, то есть вместо одного из входящих контактных штырьков («male»), один или более контактов выполнены как приемные и представляют собой тонкую трубку, в которой расположен соответствующий вывод лампы. Таким образом, часть контактов на цоколе и, соответственно, на разъеме, могут быть изменены на обратное подключение вместо прямого, когда на цоколе входящие штырьки, а на разъеме приемные отверстия типа. Указанная конструкция позволят согласовать УФ лампу и разъем с конкретным источником питания и уменьшить вероятность подключения лампы к неправильно подобранному источнику питания (Патент США US 802189, H01R 5/54, 201 г.)
Недостатками известного технического решения, как и предыдущего аналога, являются ограничение функции конструкции лампового цоколя только обеспечением надежности электрического контакта лампы в установочном патроне, а также сложная конструкция предложенного типа подключения, создающего большие трудности, как при изготовлении цоколя, так и при сборке лампы. Например, в случае использования такого соединения для мощных амальгамных ламп, цоколь может быть выполнен только из высококачественной токопроводящей керамики, что при сложной форме с тонкими стенками трубки может привести к повреждению соединения. Кроме того, сборка лампы при операции цоколевания для лампы с таким сложным соединением является очень трудоемкой.
Наиболее близким техническим решением является УФ лампа для обеззараживания воды и воздуха, имеющая цоколь сложной формы. (Патент РФ 2404478, H01K 1/00, 2007 г.). Данное техническое решение принято за прототип.
Лампа содержит продолговатую полую герметично запаянную дуговую разрядную трубку (колбу), выполненную из пропускающего УФ излучение материала, например кварцевого стекла и заполненную газом (парами ртути с добавками или без них). Внутри колбы в ее концевых участках расположены электроды. На концевых участках колбы установлены торцевые колпачки (цоколи) из диэлектрического материала, например, из керамики, каждый из которых имеет отверстие, закрытое основанием, в которое упирается запаянный конец трубки, когда он полностью вставлен в соответствующий торцевой колпачок. Цоколь лампы содержит трубчатый корпус с установленными на одном его конце контактными штырьками, смещенными одни относительно других вдоль продольной оси. На одном конце цоколя имеются полукруглые параллельные поверхности, из которых наружу выступают контактные штырьки. Между указанными полукруглыми поверхностями и перпендикулярно им, расположена барьерная стенка. Согласно вариантам изобретения, вдоль барьерной стенки могут быть выполнены выступы или пазы. Вышеописанный цоколь для лампы может быть сопряжен с патроном (разъемом) ответной формы, то есть если в торцевом колпачке лампы имеется выступ, патрон ответной формы будет иметь обратную форму (т.е. иметь паз). Аналогично, если в лампе используется цоколь с пазом, ответный патрон будет иметь выступ.
Технический результат изобретения, достигается за счет конструктивных особенностей выполнения цоколя и заключается в улучшении соединения между лампой и патроном; в препятствии неправильному подключению контактов выводов электродов лампы; предотвращении возможного замыкания контактов лампы.
Однако в прототипе не определена область применения ламп с цоколями указанной формы. Например, для ртутных ламп с небольшим ламповым током и, соответственно, с малыми тепловыми нагрузками на лопатку и цоколь лампы, возможно изготовление самого цоколя и его ответной части из пластиков, которые позволяют при литье и термической деформации получать практически любую форму цоколя и ответной части разъема. Но, как было показано выше, как материал для цоколей мощных амальгамных ламп низкого давления пластик непригоден.
Если же для изготовления цоколя использовать высококачественную керамику на основе оксида алюминия, выдерживающую тепловые нагрузки мощных амальгамных ламп, то отдельные варианты цоколей, например, с тонкой перегородкой или отдельно вынесенным вперед штырем, могут оказать хрупкими и ненадежными, что может приводить к поломкам цоколя и к неисправности лампы. Кроме того, с точки зрения технологии производства, лампы с сильно разнесенными контактами неудобны в изготовлении и требуют специальной оснастки.
Общим существенным недостатком прототипа и аналогов, является то, что в цоколях ламп заложена возможность подключения только электродов ламп, то есть предусмотрено всего 4 контакта (два электрода, каждый из которых имеет по 2 вывода). В большинстве вариантов в аналогах и прототипе, все контакты собираются на лицевой части цоколя, так, что им соответствуют ответные контакты в разъеме. Однако такое подключение с 4 контактами при появлении новых технологических требований к использованию амальгамных УФ ламп низкого давления, становится недостаточным.
Например, при работе ламп в режиме энергосбережения (регулировки), необходимо контролировать режим работы амальгамы (например, ее температуру). Известно, что амальгама лампы может располагаться на амальгамном пятне, но может быть выведена из разряда и располагаться также в цоколе лампы. Тогда, расположив в нем термодатчик (терморезистор или диод с соответствующей характеристикой, например, производства компании TDK (https://product.tdk.corn/info/en/catalog/datasheets/sensor_ntc-therrnistor_elernent_en.pdf), можно контролировать температуру амальгамы. В таком случае, целесообразно добавить хотя бы один дополнительный вывод, который может быть использован для передачи сигнала в компьютер (PLC) или ЭПРА, что в значительной степени упростит процесс контроля.
Подобным примером может являться устройство PPT (Perfect Performance Technology) производства фирмы ZED (www.z-e-d.com), которая использует управление температурой амальгамы в цоколе, располагая устройство управления непосредственно в цоколе лампы. Однако при этом используется вся та же схема с 4-х контактным подключением, что существенно осложняет задачу управления температурой амальгамы и соответственно электрической мощностью лампы (так называемый «dimming»).
Например, в большинстве случаев лампы изготавливаются по технологии с «золотым пятном», на котором на колбе лампы закрепляется амальгама; или по технологии с пеллетами, когда амальгама находится в цоколе лампы. Однако при любом положении амальгамы, ориентировка амальгамы в чехле по радиусу оказывает значительное влияние на работу лампы из-за прогиба колбы лампы и допусков в системе «лампа - чехол». В таком случае, весьма удобным для монтажа является нанесение на корпус разъема специальных меток, которые позволяют, не вынимая лампы из чехла, осуществлять правильную ориентировку лампы в чехле поворотом по радиусу. В известных технических решениях местоположение амальгамы не отмечено.
Кроме того, во всех вариантах, как прототипа, так и аналогов, цоколь лампы никак не связан с конструкцией устройства, в которой он должен работать. То есть, и электрический контакт, и виброзащищенность, и сама надежность соединения реализуются только за счет сложной формы пары «цоколь-разъем». Однако, по мнению авторов, гораздо эффективнее для конкретных УФ систем ввести более простые технические решения, которые позволяют обеспечить надежность соединения цоколя с разъемом. Например, выполнение на корпусе цоколя специального кругового бортика позволяет использовать проволочные захваты (пружины), которые гарантированно поддерживают надежность соединения.
Сущность изобретения состоит в том, что в амальгамной лампе, включающей удлиненную вдоль продольной оси между противоположными концевыми областями полую герметичную колбу, заполненную газом и выполненную из пропускающего УФ излучения материала, внутри которой в противоположных концевых областях расположены электроды и, по крайней мере, на одной из них, установлен цоколь, содержащий контактные штырьки, попарно электрически соединенные с электродами лампы, согласно изобретению, цоколь содержит дополнительный контактный штырек.
Технический результат изобретения заключается в осуществлении возможности и упрощении контроля рабочих параметров и состояния амальгамной лампы в процессе ее эксплуатации.
Дополнительный контактный штырек может использоваться для контроля и осуществления следующих режимов и состояния и лампы во время ее работы:
- для контроля температуры амальгамы для обеспечения режима регулировки лампы;
- для контроля температуры цоколя в местах его уплотнения в установках по обеззараживанию воды или воздуха с целью предотвращения перегрева узла уплотнения и пожаробезопасности;
- для обеспечения более легкого поджига при введении в колбу лампы пятого (поджигного) электрода или использования внешних средств для облегчения поджига (металлизированные полоски, кольца и др.);
- для идентификации лампы при использовании универсальных ЭПРА, способных настраивать параметры ламп программным образом. В этом случае по дополнительному выводу может передаваться сервисная информация.
Наличие хотя бы одного добавочного вывода, позволяет использовать его для контроля рабочих параметров УФ лампы и упрощает передачу сигнала на компьютер (PLC) или ЭПРА (источник питания).
При этом наличие дополнительного контакта на цоколе лампы, сохраняет ранее известные, в том числе в аналогах, функции:
- облегчение зажигания ламп со смесями с высоким потенциалом пробоя;
- идентификацию лампы устройством управления, в случае контроля температуры цоколя лампы в месте уплотнения и др.;
- предотвращение возможного пробоя или замыкания между электродами;
- повышение надежности контакта с лампой;
Технический результат, достигаемый счет конструкции цоколя лампы, заключается в расширении его функциональных возможностей, области применения для мощных амальгамных ламп, а также в повышении надежности соединения цоколя с контактным разъемом.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что цоколь для амальгамной лампы, содержащий трубчатый корпус, на лицевой поверхности которого установлены контактные штырьки, электрически соединенные с электродами лампы, согласно изобретению, содержит установленный на лицевой поверхности дополнительный контактный штырек.
Цоколь лампы предпочтительно выполнять из керамики. Это определяется тем, что за счет более высокой плотности тока в трубках амальгамных ламп низкого давления и более высоких величин приэлектродных потерь, температура кварцевой колбы лампы в районе электрода может достигать 200-250°С, при этом температура колбы лампы в районе амальгамы (золотого пятна, на которую закреплена амальгама) у современных ламп находится в диапазоне 100-150°С. По этой причине амальгамные лампы имеют керамические цоколя или совсем не имеют их, а используются другие технические решения для подключения и центровки таких ламп. Ламповые цоколя из керамики на основе оксида алюминия, оксида кремния, оксида циркония и некоторых других материалов в различных композициях широко используются в качестве материала для цоколей мощных амальгамных ламп. Такие композиции оксидов, спеченные при высоких температурах имеют температурную стойкость (до изменения геометрии) до 900°С, при этом коэффициент линейного расширения таких керамических компаундов близок к коэффициенту линейного расширения кварцевого стекла, что не приводит к нагрузкам на последнее или растрескиванию самого цоколя.
Основным вариантом конструкции является исполнение цоколя с 5-ю контактными штырьками на лицевой поверхности, то есть двумя парами контактных штырьков, электрически соединенных с электродами лампы, и одним дополнительным контактным штырьком, предназначенным для контроля режимов и передачи информации о состоянии лампы.
Кроме того, на лицевой поверхности цоколя, для увеличения площади сопряжения цоколя с установочным ламповым контактным разъемом и надежного разделение пар контактных штырьков, рекомендуется выполнить выступ, на котором установлены 3 из 5 контактных штырьков.
Различная форма исполнения выступа (прямоугольная, Т-образная, гантелеобразная, швеллер), позволяет обеспечить более надежное сцепление контактов или технологически простое изготовление цоколя.
Дополнительно корпус цоколя рекомендуется снабдить круговым бортиком для использования пружинных захватов, обеспечивающих высокую надежность соединения цоколя с разъемом, что особенно важно при монтаже габаритных и массивных мощных амальгамных ламп.
Контактный разъем, предназначенный для амальгамной лампы с цоколем, содержит трубчатый корпус, на лицевой поверхности которого выполнены отверстия для контактных штырьков электрически соединенных с электродами лампы, пазы или выступы, выполненные с возможностью сопряжения с соответствующим выступом или пазом цоколя, согласно изобретению, разъем имеет отверстие для дополнительного контактного штырька. На корпусе контактного разъема выполнена риска, наличие которой упрощает ориентацию требуемого положения амальгамы при монтаже УФ лампы в оборудование.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена амальгамная лампа с цоколем и сопряженным с ним контактным разъемом; на фиг. 2 изображен общий вид цоколя с 5-тью контактными штырьками; на фиг 3-8 показаны варианты выполнения цоколя, а на фиг. 9 - соединение цоколя с разъемом при помощи пружинных захватов.
Амальгамная лампа 1 содержит разрядную колбу 2, в противоположных концевых областях которой размещены электроды 3. Внутри разрядной колбы расположена амальгама 4. На одной из концевых областей установлен цоколь 5 с пятью контактными штырьками 6, 7, 8, 9, 10. Электроды лампы соединены в цоколе таким образом, что выводы одного из электродов соединены, например, с парой контактных штырьков 7 и 10, а выводы второго электрода через провод 11 соединены с другой парой контактных штырьков 6 и 9. Дополнительный контактный штырек 8 предназначен для выполнения задач контроля и передачи информации. На противоположной контактной области установлен опорный цоколь 12. Цоколь лампы со всеми 5-ю контактными штырьками сопрягается посредством соединения с контактным разъемом 13, создавая электрическое соединение с цепями источника питания (ЭПРА-электронно-пускорегулирующего аппарата), а также и с цепями контроля или управления лампой посредством лампового кабеля 14. На корпусе разъема выполнена риска 15.
Цоколь амальгамной лампы содержит трубчатый корпус 16, на лицевой поверхности 17 которого установлены контактные штырьки 6, 7, 9, 10, электрически соединенные с электродами лампы, и дополнительный контактный штырек 8, который может служить для целей контроля и передачи информации. Вокруг корпуса цоколя выполнен специальный круговой бортик 19, который позволяет создать надежное соединение с разъемом с использованием проволочных захватов 20.
Вариант №1 исполнения цоколя, изображенный на фиг. 3 отличается наличием на лицевой поверхности 17 корпуса цоколя гантелеобразного выступа 18, который удобен для расположения трех из пяти контактных штырьков и обеспечивает надежное сцепление с контактным разъемом 13 из-за высокоразвитой поверхности лицевой части цоколя. В данном случае используется ассиметричное расположение наплывов гантелеобразного выступа, так что контактные штырьки 3 и 7 расположены ближе к одному из гантелеобразных выступов. В данном случае гантелеобразные наплывы расположены со смещением влево, то есть данный вариант является лево-ассиметричным. Вариант №2, изображенный на фиг. 4 отличается от варианта №1 исполнения цоколя право-ассиметричным расположением гантелеобразных выступов.
Вариант №3 изображенный на фиг. 5, имеет прямоугольную форму выступа и является упрощенной версией цоколя по варианту №1 и №2. Количество площадей сопряжения у такого варианта меньше, что может приводить к менее прочному соединению с ответным контактным разъемом. Однако преимуществом такой формы является более простое изготовление.
Варианты №4 и №5, изображенный на фиг. 6, 7 представляют собой упрощенные версии вариантов цоколей №1 и №2. В этих вариантах три из пяти контактных штырьков тоже расположены на центральной площадке, однако вместо гантелеобразного используется Т-образный выступ, что обеспечивает также достаточно хорошее сцепление с ответным разъемом, но при этом Т-образная форма несколько проще гантелеобразной в изготовлении. Варианты №4 и №5 отличаются левой и правой асимметрией.
Вариант №6, изображенный на фиг. 8, представляет собой модификацию вариантов №1 и №2, где в качестве центрального выступа используется не гантелеобразная форма, а форма выступа в виде швеллера. Преимуществом такой конструкции является большая площадь сопрягаемой поверхности, однако, при этом требуется высокая точность изготовления по допускам и посадкам для внешних поверхностей, как цоколя, так и контактного разъема.
Пример реализации изобретения:
Амальгамная лампа 1 типа ФОТОТРОН 161 длиной 1600 мм, выполненная из кварцевой трубки диаметром 32 мм, представляет собой источник излучения с полным УФ-С потоком 178 Вт, энергопотреблением 485 Вт и током лампы 5 А. Лампы ФОТОТРОН могут быть использованы как в корпусных УФ установках (типа ЛИТ УДВ) для обеззараживания питьевой воды, так и в открытых лотковых системах (типа МЛВ или МЛП). В качестве разъема лампы ФОТОТРОН 161 используется цоколь 5 по варианту №1. Электроды 3 лампы соединены в цоколе таким образом, что контактные штырьки 6 и 9, 7 и 10 попарно используются для соединения с электродами лампы.
В системах с горизонтальным расположением лампы, например, в установках типа УДВ или горизонтальных погружных лотковых системах типа МЛП, лампа ФОТОТРОН 161 не испытывает существенных нагрузок, кроме вибрационных, из-за работы насосов в машинном зале, самого протока воды и т.д. В таком случае, цоколь 5 и разъем 13 лампы ФОТОТРОН 161 и так достаточно хорошо сопряжены и имеют надежное соединение за счет большой поверхности контакта сопрягаемых элементов цоколя и разъема. Дополнительных удерживающих элементов не требуется даже в случае извлечения лампы. Риска 15, расположенная на разъеме 13 (фиг. 1), служит для ориентации положения амальгамы 4 в УФ установке. Так, при монтаже лампы, например, взамен вышедшей из строя, наличие риски на разъеме всегда будет четко соответствовать требуемому положению амальгамы. В данном случае, наличие риски сверху означает для оператора, что положение амальгамы установлено в положение «снизу», что в данном случае является верным. Даже если оператор вставил лампу в установку неверно, он, не вынимая ее целиком, а ориентируясь лишь на положении риски разъема лампы, всегда может исправить положение амальгамы лампы на верное.
В системе типа МЛВ лампа ФОТОТРОН 161 расположена вертикально, так что при ее извлечении, например, за контактный разъем, лампа может отсоединиться и при падении повредить кварцевый чехол, в котором она находится. Для предотвращения подобных случаев служат специальные удерживающие пружинные захваты 20 (фиг. 9). Такая пружина, используя специальный круговой бортик 19 цоколя, позволяет гарантировать простую и безопасную замену лампы в УФ-системах с вертикальным расположением лампы.
Дополнительный 5-й контактный штырек 8 в данном случае используется для контроля температуры цоколя лампы, так как в вертикальных системах в нижней части корпусных установок или в открытых каналах лотковых систем, очень часто образуются застойные зоны из-за попадания туда частиц ила, песка и других загрязнений. В таком случае часто происходит перегрев нижнего электрода лампы, что подтверждается многочисленными экспериментальными данными. При этом эмиссионное вещество нижнего электродного узла расходуется гораздо быстрее из-за его перегрева по сравнению с верхним электродом. Для предотвращения подобной ситуации служит термодиод, который подсоединен к 5-му контактному штырьку и любому другому выводу лампы, так что в образованной цепи появляется возможность для передачи и обработки сигнала термодатчика. Полученный сигнал может быть использован в PLC (компьютер УФ установки) с последующим выводом информации в виде сигнала аварии по перегреву цоколя, а также в виде аварийного отключения машины при превышении некоторого порога сигнала термодиода.