МОЩНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА С РАБОЧИМ ТОКОМ БОЛЕЕ 20 А

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована в производстве мощных источников света с рабочим током более 20 А, таких как линейные кварцевые галогенные лампы накаливания, применяемые в качестве мощных источников света для освещения производственных помещений, культурно-спортивных и архитектурных сооружений, а также для рекламного освещения.
Известны галогенные лампы, которые представляют собой лампу накаливания в кварцевой колбе, механизм работы основан на использовании вольфрамо-галогенного цикла, возникающего при добавке в лампу дозированного количества галогена, и заключающийся в связывании испарившихся атомов вольфрама атомами галогена в пристеночном пространстве лампы с образованием галогенида вольфрама и переносе этого соединения в область тела накала, где оно разлагается на исходные составляющие и атомы вольфрама осаждаются на спираль. (Ульмишек Л.Г. Производство ламп накаливания. М. - Л., изд-во «Энергия», 1966, с.22-25)
Известна галогенная лампа накаливания, описанная в кн. Вугман С.М., Волков В.И. Галогенные лампы накаливания. М.: Энергия, 1980, с.10-14, с.88-92, с.110-114, рис.1, рис.6.2, рис.7.3, оболочка которой выполнена в виде длинной кварцевой трубки с двусторонним софитным расположением токовых вводов, со следующими параметрами: световая отдача - 22 лм/Вт, цветовая температура тела накала - 3000 К, средняя продолжительность горения - 2000 ч, диаметр оболочки - 20 мм, длина лампы - 520 мм, диаметр тела накала - 3,0 мм, длина тела накала - 275 мм, цоколь - K27s/96.
Отличительной чертой линейных ламп является длинное тело накала, расположенное по оси кварцевой трубки и поддерживаемое кольцевыми держателями. Для линейных ламп большой мощности применяются металлические цоколи цилиндрической формы, с разрезными рантами и прижимным кольцом, а также в состав цоколя входит вкладыш и втулка. Цоколь к лампе прикрепляют асбестовой мастикой, затем на лампу плотно надевают цоколь и прижимным кольцом сжимают лепесткообразный рант. Цоколи также служат для мощных ламп держателями в светильниках и по размеру должны сочленяться с патронами и осветительной арматурой.
В настоящее время номенклатура галогенных ламп накаливания насчитывается более 150 наименований с очень широким спектром конструктивных решений.
Известные галогенные лампы накаливания являются высокоинтенсивными источниками излучения, в котором используются тяжеломолекулярный инертный газ (криптон, ксенон), биспиральное тело накала. Для успешного осуществления йодного цикла необходимо, чтобы все участки внутренних стенок колбы имели температуру 500-700°С, а тело накала - не ниже 2500°С. Требование большой механической прочности колб и высокие температуры ламп в рабочем состоянии обусловили применение в галогенных лампах кварцевого стекла, которое и предопределило особенности технологии сборки этих ламп при газопламенной сварке деталей из тугоплавкого кварца и при изготовлении вакуумно-плотных соединений из несогласованных по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) кварца и металлов токовых вводов. /Основы технологии электрических источников света. / Н.И.Чуркина, В.В.Литюшкин, А.П.Сивко. Под общей редакцией А.А.Прыткова. - Саранск: Мордов. кн. изд.-во, 2003, с.111-114, рис.3.13, рис.3-14; с.310-320, рис.6.23г, рис.6.29б/.
Несмотря на то, что впаи кварца с металлом не могут быть согласованными, поскольку не существует металла со столь низким, как у кварца, ТКЛР, поэтому в настоящее время для обеспечения вакуумно-плотных впаев наиболее распространены ленточные (фольговые), стержневые (проволочные) и цилиндрические впаи.
В источниках света для ленточных впаев применяется в основном молибден. Металл и кварц соприкасаются плоскими поверхностями, и так как фольга тонкая и эластичная, она легко деформируется, следуя за деформацией кварца, не вызывая напряжений, в сечении ленточный впай имеет эллиптическую (чечевицеобразную) форму.
Заранее подготовленный ввод, состоящий из молибденовой фольги и приваренных к ней внутреннего и внешнего звена, помещают в трубку из кварцевого стекла. Один конец трубки герметизируют, а другой присоединяют к системе продувки инертным газом, который предохраняет фольгу от окисления при нагреве. Сначала разогревают место впая на кварцевой трубке, а затем перемещают туда ввод, передвигая горелку вдоль ввода, продолжают дальнейший нагрев кварцевого стекла до необходимой температуры и производят операцию «заштамповка», добиваясь, чтобы вся фольга образовала впай с кварцевым стеклом.
Однако, из-за возможного перегрева ленточные впаи применяются в источниках света только с токовыми нагрузками не более 20 А.
Стержневые впаи применяются в источниках света, работающих при токовых нагрузках 18-150 А. В таких впаях используют переходные стекла с величинами ТКЛР, находящимися внутри крайних значений между ТКЛР металла и кварца. В качестве металла для этих впаев применяют шлифованные, тщательно очищенные вольфрамовые стержни. В вакуумном впае могут участвовать от одного до трех переходных стекол, в зависимости от диаметра использованного вольфрамового стержня.
Расплавленное стекло смачивает металл, если он нагрет до температуры, близкой к температуре плавления стекла, и на поверхности
металла имеется адсорбирующий слой, т.е. пленка окиси. И только при этом условии может быть достигнуто прочное сцепление стекла и металла, сохраняющееся после их охлаждения.
В мощных галогенных лампах применяются также сложные цилиндрические фольговые впаи.
Цилиндрические фольговые впаи представляют собой незамкнутый цилиндр из молибденовой фольги, который плотно надевается на откалиброванный кварцевый вкладыш, а зазор между краями фольги составляет 2 мм. Узел, состоящий из приваренных к фольговому цилиндру токового ввода и тела накала, помещают в кварцевую заготовку, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой переходного стекла, после чего сваривают с ней.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является кварцевая галогенная лампа, включающая кварцевую трубку, внешние и внутренние токовводы, вакуумный впай на переходных стеклах, тело накала, при этом в качестве вакуумного впая использован стержневой впай, который применяется в источниках света, работающих при токовых нагрузках 18-150 А. В стержневом впае используют переходные стекла с величинами ТКЛР, находящимися внутри крайних значений между ТКЛР металла и кварца. Причем в стержневом впае используется до трех переходных стекол, в зависимости от диаметра использованного вольфрамового стержня (см. Пляскин П.В. и др. Основы конструирования электрических источников света / М.: Энергоатомиздат, 1983. с.172-181., рис.10.3б).
Недостатками известных конструкций мощных кварцевых галогенных ламп являются сложности конструктивного исполнения и технологии изготовления, а также достаточно высокая себестоимость источников света с рабочими токами более 20 А.
Основной недостаток известной галогенной лампы с вакуумным стержневым впаем с переходными стеклами заключается в том, что его
изготовление требует высокой квалификации, трудоемко и не поддается механизации из-за сложности конструктивного исполнения стержневого впая с наличием 3-х переходных стекол.
Надежность целостности конструкции вакуумного стержневого впая предопределяется не только его конструкцией и технологией, следствием которых могут быть проблемы тепловых напряжений, а еще и наличием электролиза, расстекловывания, газовых включений.
Применение больших диаметров токовводов в мощных источниках света из-за высоких токовых нагрузок приводит к высокому проценту брака на операции заштамповки.
Необходимо отметить сложность конструктивного и технологического исполнения вакуумного впая, используемого для мощных источников света с рабочими токами более 20А, а также высокая их себестоимость изготовления и, соответственно, источника света в целом.
Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача по повышению срока службы и надежности работы за счет оптимально выбранной геометрии ленточного впая и введения дополнительных токовводов, а также снижению себестоимости за счет упрощения технологии изготовления и конструкции в целом мощных источников света с рабочим током более 20 А.
Для достижения указанного технического результата в мощный источник света с рабочим током более 20 А, выполненный на основе кварцевой галогенной лампы и состоящий из кварцевой трубки, основных внешних и внутренних токовводов, вакуумного впая, тела накала, цоколя, введены дополнительные внешние и внутренние токовводы, причем основные и дополнительные внутренние и внешние токовводы соединены с вакуумным впаем, который выполнен ленточным из молибденовой фольги с числом сварочных точек с основными и дополнительными внешними и
внутренними токовводами, соответственно, с каждой стороны, должно быть более 2.
В мощном источнике света ленточный вакуумный впай выполнен эллиптической формы в сечении с толщиной по оси симметрии 35-50 мкм, при этом ширина ленточного вакуумного впая выполнена равной 7-20 мм, а длина - 10-16 мм.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на представленных фигурах изображено:
- фиг.1 - общий вид мощного источника света с рабочим током более 20 А;
- фиг.2 - мощный источник света в продольном разрезе;
- фиг.3 - разрез А-А фиг.2.
На чертежах представлен предлагаемый мощный источник света с рабочим током более 20 А, который выполнен на основе кварцевой галогенной лампы (фиг.1, фиг.2). Мощный источник света с рабочим током более 20 А включает в себя кварцевую трубку 1, основные внешние 2 и внутренние 3 токовводы, вакуумный впай 4, тело накала с поддержками 5, цоколь 6.
Мощный источник света снабжен дополнительными внешними 7 и внутренними 8 токовводами, причем основные и дополнительные внутренние 3, 8 и внешние 2, 7 токовводы соединены с вакуумным впаем 4.
Основные 2 и дополнительные 7 внешние токовводы соединены посредством припоя 9 с электрическим проводом 10.
В отличие от прототипа, в котором при рабочем токе более 20 А используется только стержневой вакуумный впай с несколькими переходными стеклами, в предложенной полезной модели вакуумный впай 4 выполнен ленточным из молибденовой фольги.
Для более оптимальной температурной разгрузки ленточного вакуумного впая 4 при очень больших рабочих токах дополнительных внутренних 8 и внешних 7 токовводов в мощном источнике света может быть несколько.
При этом в предложенном мощном источнике света ленточный вакуумный впай 4 выполнен в сечении эллиптической формы с толщиной по оси симметрии 35-50 мкм, причем ширина ленточного вакуумного впая выполнена равной 7-20 мм, а длина - 10-16 мм.
Оптимальные размеры ленточного вакуумного впая в указанных выше пределах выбираются с учетом мощности и рабочего тока источника света.
В предлагаемой конструкции мощного источника света общее число сварочных точек с основными 2, 3 и дополнительными 7, 8 внешними и внутренними токовводами с каждой стороны должно быть более 2.
Предлагаемая геометрия ленточного вакуумного впая 4 и введение дополнительных 7, 8 внешних и внутренних токовводов позволили уменьшить тепловые нагрузки на вакуумный впай 4 и тем самым дали возможность создать надежный мощный источник света с рабочим током более 20 А.
Предлагаемая полезная модель позволила исключить использование сложных конструкций вакуумных впаев для мощных источников света с рабочим током более 20 А, соответственно, повысить срок службы и их надежность работы, а также снизить себестоимость за счет упрощения технологии изготовления вакуумного впая и конструкции мощных источников света в целом.
Благодаря выбранной геометрии вакуумного ленточного впая и его тепловой разгрузки за счет дополнительных введенных токовводов, соответственно, выполнение ленточного вакуумного впая в сечении эллиптической формы с толщиной по оси симметрии 35-50 мкм, ширины ленточного вакуумного впая равной 7-20 мм и длины - 10-16 мм,
позволили обеспечить оптимальный тепловой режим работы источника света, который способствует повышению его надежности работы и срока службы.
При этом необходимо отметить, что выход за минимальные размеры (толщины, ширины и длины) ленточного вакуумного впая не обеспечивает достаточную надежность, соответственно ухудшает параметры источника света, а выход за максимальные размеры приведет к неоправданному увеличению материалоемкости и увеличению себестоимости источника света.
Следует также добавить, что предложенная конструкция мощного источника света с рабочим током более 20 А дала возможность исключить из конструкции сложный стержневой вакуумный впай на переходных стеклах, который требует высокой квалификации и трудоемкий в изготовлении, что в конечном итоге позволило упростить конструкцию и технологию изготовления мощных источников света.
Упрощение конструкции предлагаемого мощного источника света с рабочим током более 20 А путем изменения геометрии ленточного вакуумного впая и его тепловой разгрузки позволило снизить себестоимость и повысить технологичность.
Таким образом, предложенная конструкция полезной модели обеспечивает повышение срока службы на 10% и надежность работы мощного источника света с рабочим током более 20 А в пределах срока службы.