УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С НЕСКОЛЬКИМИ НИТЯМИ
LOW-PRESSURE ULTRAVIOLET EMITTER WITH MULTIPLE THREADS

Настоящее изобретение относится к ртутной газоразрядной лампе низкого давления, применяемой для дезинфекции с помощью ультрафиолетового излучения, и к способу работы таких ламп.
Ртутные газоразрядные лампы низкого давления широко применяют в области освещения, но также и в области дезинфекции из-за их преобладающего ультрафиолетового излучения, которое обладает бактерицидным действием. В дезинфекционных приложениях термины "УФ-лампа" и "УФ-излучатель" используют как эквиваленты для обозначения мощных ртутных газоразрядных ламп низкого давления. Эти термины также будут применяться в настоящем описании.
В то время как в приложениях, относящихся к освещению, основными требованиями являются сбалансированный спектр в видимом диапазоне, высокая эффективность световой отдачи в отношении потребления электроэнергии и длительный срок службы, требования к ультрафиолетовым (УФ) излучателя отличаются. Мощность излучения ультрафиолета должна быть очень высокой, потому что интенсивность ультрафиолетового излучения непосредственно связана с эффективностью дезинфекции, что означает, что для дезинфекции воды потребуется меньше УФ-излучателей, обладающих большей мощностью УФ-излучения, что прямо сокращает инвестиции, необходимые для установок по дезинфекции питьевой или сточной воды. Другое важное требование к УФ-излучателям, применяемым для дезинфекции в более крупных установках, заключается в общем энергопотреблении. В приложениях, связанных с питьевой водой или сточными водами, объем воды в единицу времени (т.е. кубических метров в секунду) может существенно меняться. Чтобы не тратить впустую ненужное количество ультрафиолетового излучения и связанной с его получением электроэнергии, было разработано несколько технологий, чтобы адаптировать мощность УФ-установок к потоку воды. Имеются решения, в которых воду обрабатывают в нескольких параллельных каналах, каждый из которых оснащен некоторым числом УФ-излучателей, и при этом отдельные каналы могут быть перекрыты, если поток воды низкий. В других решениях предусмотрена возможность сократить потребление электроэнергии лампами и, следовательно, ослабить излучение ламп до более низкой мощности УФ-излучения, если поток воды низкий. Ослабление излучения ртутных УФ-ламп низкого давления ограничено величиной, равной примерно 30% от номинальной выходной мощности, так как нити на концах лампы нагреваются с помощью электрического разряда в лампе, и если электроэнергию, подаваемую для разряда, уменьшать, то температура нитей также снижается. В определенный момент нити становятся слишком холодными, чтобы обеспечить необходимую эмиссию электронов. Существует риск того, что лампа перестанет функционировать, а также риск того, что нить будет повреждена при работе при слишком низкой температуре. Поэтому, имеется нижний предел электропотребления УФ-ламп.
Для целей освещения известно несколько документов предшествующего уровня техники, в соответствии с которыми на каждом конце лампы применяют более одной нити. Такими документами являются китайская заявка на патент CN 1812677 A и китайский патент CN 101644389 B, а также патент США US 6 756 745 B1. Эти лампы применяют для освещения, и в них применяют несколько нитей, которые являются избыточными в том смысле, что если одна нить придет в негодность, то можно переключиться на другую нить. Нигде не описано, что нити могут иметь различный размер и массу. Как обсуждалось выше, технические трудности в приложениях, связанных с освещением, отличаются от трудностей в приложениях, связанных с ультрафиолетовой дезинфекцией.
Поэтому, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить ртутную газоразрядную УФ-лампу низкого давления, которую можно безопасно эксплуатировать при низких уровнях энергопотребления, т.е. ниже 30% от номинальной выходной мощности, в частности, до 10% от номинальной выходной мощности. Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ функционирования ртутной газоразрядной УФ-лампы низкого давления при различных уровнях энергопотребления, в частности, в которой уровень энергопотребления меняется в 4 раза, и предпочтительно до 10 раз от самого низкого до самого высокого уровня энергопотребления.
Эту цель достигают посредством ртутной газоразрядной УФ-лампы низкого давления, обладающей признаками п. 1 формулы изобретения, и посредством способа функционирования такой лампы, обладающего признаками п. 10 формулы изобретения.
Требуемого эффекта достигают в лампе, обладающей признаками п. 1 формулы изобретения, выполняя две нити на каждом конце длины разряда, причем электроэнергия может подаваться на нити по-отдельности, и при этом нити на каждом конце имеют различный размер и различную массу, причем отличие больше, чем отличие, возникающее вследствие неизбежных производственных погрешностей. Эта конструкция позволяет лампе функционировать в различных режимах, а именно, в режиме высокого энергопотребления, в котором электроэнергию подают на более крупную нить, которая также обладает большей массой, и в режиме низкого энергопотребления, в котором подают энергию на меньшую нить, которая обладает меньшей массой. В частности, цель изобретения достигают посредством ртутной газоразрядной ультрафиолетовой лампы низкого давления, имеющей трубчатый вытянутый корпус с двумя противоположными концами, первым концом и вторым концом, который содержит газовый наполнитель, и по меньшей мере два электрических контакта на каждом конце, которые электрически соединены по меньшей мере с одной нитью, расположенной на каждом конце, причем длина разряда ограничена между нитями, при этом на каждом конце длины разряда выполнено по меньшей мере две нити, причем электроэнергию можно подавать на нити по отдельности, и при этом по меньшей мере две нити на первом конце имеют различный размер и различную массу, и по меньшей мере две нити на втором конце имеют различный размер и различную массу.
Как вариант, на две нити можно подавать энергию одновременно, что приводит к еще большему энергопотреблению и, следовательно, к более высокой мощности УФ-излучения. Если электроэнергию подают на меньшую и более легкую нить, то необходимой рабочей температуры для меньшей нити можно достичь при более низких уровнях потребления электроэнергии, потому что площадь поверхности небольшая и, следовательно, небольшая масса, которую необходимо нагреть энергией дуги разряда. Поэтому, при заданной электрической мощности температура меньшей нити выше, чем температура более крупной нити. Следовательно, если имеется нижний предел рабочей температуры, а он имеется, то лампа может функционировать при низком энергопотреблении, составляющем 10% от номинального энергопотребления. Этот нижний предел до сих пор не достигнут. Лампа может функционировать при такой мощности длительное время без повреждения нити.
Будет описано два предпочтительных варианта осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 показана газоразрядная лампа низкого давления с четырьмя нитями, которые подключены по отдельности;
на фиг. 2 показана газоразрядная лампа низкого давления с четырьмя нитями, в которой каждая пара нитей имеет одно общее соединение;
на фиг. 3 приведен вид расположения нити в осевом направлении; и
на фиг. 4 приведен вид альтернативного расположения нити в осевом направлении.
На фиг. 1 показана ртутная газоразрядная лампа 1 низкого давления с кварцевым корпусом 2, имеющим вытянутую цилиндрическую форму. Внутри корпуса 2 имеется газовый наполнитель 3, который обычно содержит инертный газ и небольшое количество ртути. На двух противоположных концах, на первом конце 4 и втором конце 5, расположены нити a, b, c и d. Каждую нить поддерживают внутри корпуса 2 лампы двумя электрическими контактами, а именно электрическими контактами a1 и a2 нити a, контактами b1 и b2 нити b, контактами с1 и с2 нити с и контактами d1 и d2 нити d. Контакты a1-d2 представляют собой электрические проводники, обладающие достаточной термостойкостью, чтобы их можно было впаять в кварцевый корпус 2, и достаточной жесткостью, чтобы поддерживать нити a-d под действием механической нагрузки, которую можно ожидать во время функционирования. Нити также могут быть установлены в лампе со смещением.
Как показано на фиг. 1, нити a и b представляют собой нити сравнительно небольшой длины. Эти нити покрыты известными веществами, чтобы улучшить эмиссию электронов при высоких температурах.
Аналогично, нити c и d являются сравнительно длинными нитями. Они имеют такой же механический и физический состав, что и нити a и b, но существенно длиннее. Предпочтительно, нити a и b, с одной стороны, и нити c и d, с другой стороны, выполнены из одного и того же основного материала провода, так что отличие в длине нитей приводит к отличию массы нитей. Нити a и b легче, чем нити с и d. Нити также могут быть выполнены из различных материалов.
На фиг. 2 показано устройство, аналогичное показанному на фиг. 1. Те же ссылочные позиции применены для таких же или аналогичных компонентов.
В варианте осуществления на фиг. 2 применяют пару небольших нитей a и b и вторую пару более крупных нитей с и d. Тем не менее, в этом варианте осуществления нити в концевом участке 4 лампы 1 имеют общей электрический контакт ac. Это означает, что меньшую нить a можно подключить через два электрических контакта a1 и ac, в то время как вторую нить c можно подключить через контакты ac и c2.
Соответствующее устройство на другом конце 5 лампы 1содержит более короткую нить b с электрическими контактами b1 и bd и более длинную нить d с электрическими контактами bd и d2. Соответственно, нити b и d имеют один общий контакт bd. Нить b может быть электрически подключена через контакты d1 и bd, в то время как нить d может быть подключена через контакты bd и d2.
На фиг. 3 показано расположение нити на виде в осевом направлении. Корпус 2 лампы окружает короткую нить a и длинную нить c. Контакты a1, a2, c1, c2 не видны на этом виде. Расположение, показанное на фиг. 3, может быть использовано в таких вариантах осуществления, как показанный на фиг. 1, в котором нити a и c подключены по-отдельности через четыре независимых контакта.
Вариант осуществления с общими контактами представлен на фиг. 4. В этом варианте осуществления корпус 2 лампы окружает нити a и c, которые физически и электрически соединены друг с другом на одном конце. Этот конец подключают и удерживают с помощью общего контакта ac, который не виден в этом представлении, потому что, как и контакты a1 и c1, направлен вертикально относительно плоскости чертежа.
При функционировании ртутные газоразрядные лампы 1 низкого давления, показанные на фиг. 1 и фиг. 2, представляют собой так называемые УФ-излучатели низкого давления/высокой мощности. Эти лампы могут функционировать при энергопотреблении примерно 200 Вт. Точное значение не актуально в данном контексте.
Процесс включения лампы 1 известен из обычных УФ-излучателей этого типа. Во-первых, постоянный ток подают на контакты c1 и c2 нити c и на контакты d1 и d2 нити d (в варианте осуществления, показанном на фиг. 1). Нити c и d нагревают до высокой температуры до тех пор, пока не будет достигнута требуемая температура для тепловой эмиссии электронов, которая составляет около 1000 К. Для нагрева нити также могут функционировать при переменном токе. В этот момент высокое напряжение подают на нити c и d через контакты c1 и c2 и d1 и d2 соответственно. Высокое напряжение также может быть подано только на один контакт каждой нити c и d. Это высокое напряжение приводит к газовому разряду в газовом наполнителе 3 и, следовательно, к возникновению ультрафиолетового излучения. Ток, проходящий через нити c и d и через плазму, несущую газовый разряд внутри лампы, является достаточным, чтобы удерживать нити c и d при требуемой температуре, необходимой для длительного срока службы нитей. Теперь, если по какой-либо причине электроэнергия, подаваемая на лампу, будет уменьшена, например, из-за того, что поток воды, подлежащий дезинфекции, уменьшается и требуется меньшее УФ-излучение, высокое напряжение питания может быть уменьшено известным образом, что приводит к меньшему количеству энергии, доступной в плазме, и, следовательно, в нитях c и d образуется меньшая температура. Это снижение технически возможно вплоть до 40% или 30% от номинальной мощности лампы. В этот момент нити c и d становятся слишком холодными для тепловой эмиссии и, хотя лампа еще работает, нити подвержены преждевременному износу.
В этот момент могут быть задействованы меньшие нити a и b. В зависимости от конструкции лампы они уже имеют повышенную температуру, которой достаточно для поддержания газового разряда, либо они могут быть предварительно нагреты путем подачи постоянного тока на контакты a1, a2 и b1, b2. Как только достигнута требуемая температура нитей a и b, на них может быть подано высокое напряжение, как было описано выше, а подача высокого напряжения на нити c и d может быть прекращена. Теперь лампа может работать на пониженной мощности. Затем, меньшие нити, имеющие меньшую массу по сравнению с нитями c и d, нагревают посредством сравнительно низкого электрического тока, который поддерживает газовый разряд. Однако меньшая масса приводит к более высокой температуре при этих рабочих условиях. Поэтому, нити a и b будут по-прежнему достигать достаточной рабочей температуры вплоть до пониженных уровней мощности приблизительно от 30% до 10% от номинальной потребляемой мощности лампы. Физически меньшая масса эквивалентна более низкой общей теплоемкости, а меньшая площадь поверхности приводит к уменьшению потерь энергии за счет излучения абсолютного черного тела.
Таким образом, переключение с нитей c и d на нити a и b позволяет дополнительно уменьшить входную мощность лампы 1 без снижения срока службы нитей.
Аналогично, лампа на фиг. 2 может работать соответствующим образом. Отличие варианта, показанного на фиг. 2, заключается в том, что общая нить ac и bd может быть использована в качестве заземляющего контакта для постоянного тока, в то время как высокое напряжение обычно подают на контакты c2 и d2 при большой нагрузке, а на контакты a1 и b1 при низкой мощности.
Нити на одной стороне, a, c или b, d, могут быть переключены импульсно с перекрытием или без него. Переключение нитей может происходить на конце или в конце УФ-лампы.
Настоящее изобретение, как описано в неограничивающих вариантах осуществления выше, предпочтительно может использоваться на установках УФ-дезинфекции питьевой воды и сточных вод, в которых выходная мощность УФ-излучателей может быть уменьшена, если требуется обработать меньшее количество воды в единицу времени. Можно уменьшить мощность УФ-лампы до низких уровней мощности, чего до сих пор не удалось достичь. Это дает операторам таких установок УФ-дезинфекции возможность добиться значительной экономии эксплуатационных расходов.
Альтернативные варианты, которые до сих пор не описаны, могут содержать более двух нитей на каждом конце.