Газоразрядная лампа

Газоразрядная лампа

Реферат

 

Использование: при производстве дуговых газоразрядных ламп высокого давления различных типов: аргоновых, криптоновых, ксеноновых, металлогалогенных, натриевых и других. Сущность изобретения: газоразрядная лампа включает наполненную рабочей средой герметичную колбу из оптически прозрачного материала, снабженную средством для конденсации газовой компоненты рабочей среды. Средство выполнено в виде реверсивного сорбента газовой компоненты рабочей среды, имеющего температуру десорбции меньшую, чем температура газоразрядной лампы в неработающем состоянии. В качестве реверсивного сорбента могут быть применены различные цеолиты, активированный уголь. В частности, в качестве цеолита может быть использован цеолит NaX для ксеона и NaA для аргона. Реверсивный сорбент может быть размещен в дополнительной емкости, сообщающейся с герметичной колбой и снабженной нагревателем. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а более конкретно газоразрядным осветительным лампам, и может быть использовано при производстве дуговых газоразрядных ламп высокого давления различных типов: аргоновых, ксеноновых, криптоновых, металлогалогенных, натриевых и других.

В дуговых газоразрядных лампах высокие светотехнические характеристики, в частности светоотдача, достигаются при достаточно высоких давлениях рабочей среды. Высокое давление рабочей среды обеспечивается обычно рабочим газом в дуговых аргоновых, криптоновых, ксеноновых лампах или буферным газом (парами ртути или инертным газом в натриевых лампах высокого давления или металлогалогенных лампах. Однако высокое давление рабочей среды в газоразрядной лампе ухудшает один из важных ее параметров увеличивает напряжение зажигания лампы. Для уменьшения напряжения зажигания лампы используют ряд конструктивных решений.

Известна газоразрядная лампа, содержащая наполненную рабочей средой герметичную колбу из оптически прозрачного материала с рабочими электродами. В состав рабочей среды введены ртуть и зажигающий газ при давлении 10-30 Торр [1] В таких лампах первоначально разряд происходит при низком давлении паров ртути, которое определяется температурой лампы в момент возникновения разряда. При нагревании стенок колбы после поджига разряда давление насыщенных паров ртути легко достигает значений, равных или больших 1 атм, необходимых для обеспечения высоких рабочих характеристик лампы.

Серьезным недостатком известной газоразрядной лампы является токсичность ртути, а также необходимость использовать значительное по величине напряжение зажигания при повышении начального давления ксенона (такое повышение давления оказывается крайне желательным для улучшения светотехнических характеристик газоразрядной лампы).

Известна газоразрядная лампа высокого давления, содержащая установленную во внешней колбе на ножке и наполненную рабочим веществом кварцевую горелку с основными электродами, имеющими рабочую спираль, расположенными на ее противоположных концах. Вблизи основного электрода установлен по меньшей мере один вспомогательный электрод, являющийся одновременно геттером. Вспомогательный электрод выполнен в виде кольца, коаксиально охватывающего 1/4-3/4 длины спирали, причем внутренний диаметр кольца и диаметр спирали связаны соотношением: d₁ d₂/2d ₁= 0,15-0,375, где d₁ внутренний диаметр кольца; d₂ диаметр спирали электрода [2] Введение в конструкцию лампы дополнительного электрода позволяет снизить напряжение зажигания, однако это достигается за счет усложнения конструкции газоразрядной лампы.

Известна газоразрядная лампа, содержащая установленную во внешней стеклянной колбе керамическую горелку, наполненную рабочей средой. Горелка снабжена с внешней стороны вспомогательными электродами, а также двумя термобиметаллическими размыкателями. Один из размыкателей включен последовательно с нагревателем, который нагревает размыкатель при включении лампы. Лампа включена в сеть переменного тока последовательно с балластным дросселем. При размыкании контактов первого размыкателя на балластном дросселе генерируется импульс напряжения, зажигающий электрический разряд в горелке. При нагревании горелки второй размыкатель отсоединяет вспомогательный электрод [3] Известная газоразрядная лампа позволяет снизить напряжение зажигания, но достигается это за счет усложнения конструкции и снижения ее надежности, так как используются элементы с подвижными деталями.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является импульсная газоразрядная лампа, включающая наполненную рабочей средой колбу из оптически прозрачного материала, снабженную средством для конденсации газовой компоненты рабочей среды и помещенную во внешнюю керамическую колбу, заполненную инертным газом (ксеноном или аргоном) или вакуумированную. В состав рабочей среды входят цезий, ртуть и инертный газ. Средство для конденсации газовой компоненты рабочей среды выполнено в виде охлаждаемой жидким азотом части поверхности внутренней колбы [4] Известная газоразрядная лампа позволяет снизить величину напряжения зажигания, так как при охлаждении жидким азотом поверхности колбы основная часть атомов газовой компоненты конденсируется на холодном участке лампы и давление ее в колбе определяется температурой этого охлажденного участка. После поджига разряда в лампе баллон колбы нагревается, конденсированные атомы полностью переходят в газовую фазу и в горящей лампе устанавливается требуемое давление. Однако снижение величины напряжения зажигания достигается усложнением конструкции газоразрядной лампы.

Целью изобретения является создание такой газоразрядной лампы, которая бы обеспечивала снижение напряжения зажигания, но при этом имела бы более простую и надежную конструкцию.

Цель достигается тем, что в газоразрядной лампе, включающей наполненную рабочей средой герметичную колбу из оптически прозрачного материала, снабженную средством для поглощения газовой компоненты рабочей среды, это средство выполнено в виде реверсного сорбента газовой компоненты рабочей среды, имеющего температуру десорбции Т_д (при которой начинается десорбция атомов газовой компоненты), удовлетворяющую соотношению: Т_д > Т_нс, (1) где Т_нс температура газоразрядной лампы в неработающем состоянии.

В качестве реверсивного сорбента могут быть применены различные цеолиты, активированный уголь (для физической адсорбции инертных газов). В частности, для самого распространенного газового компонента рабочей среды ксенона наиболее подходящим сорбентом является цеолит, например NaX, имеющий кубическую элементарную ячейку размером 24,3 А и химическую формулу Na₉₂[Al₉₂Si₁₀₀О₃₈₄] 256H₂O [Кристаллография, т.28, с.72-78, 1983] Этот цеолит обладает достаточно большой поглощающей способностью при комнатной температуре за счет того, что поры в нем близки по размеру к диаметру атома ксенона, а химический состав и строение обеспечивают значительную поляризацию атома ксенона в поре, что обуславливает относительно высокую энергию физической адсорбции. В то же время цеолит NaX не взаимодействует с натрием, который является основным светоизлучающим компонентом натриевых ламп высокого давления (НЛВД) и подавляющего числа металлогалогенных ламп (МГЛ), а также с ртутью, стоек по отношению к галогенам, выдерживает температуру до 1000 К, многократное циклирование без нарушения целостности жесткого каркаса. Для сорбции аргона может быть применен цеолит, например NaA: Na₁₂[Al₁₂₁Si₁₂O₄₈]27H₂O с ячейкой размером 24,6 (см. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. М. Мир, 1976, с.175). Реверсивный сорбент может быть размещен в дополнительной емкости, сообщающейся с герметичной колбой; дополнительная емкость может быть снабжена нагревателем.

Выполнение средства для конденсации газовой компоненты рабочей среды в виде реверсивного сорбента с температурой десорбции, удовлетворяющий соотношению (1), позволяет простыми средствами поддерживать давление газовой компоненты при поджиге в интервале 1,3-8 кПа, снизив тем самым величину напряжения зажигания, а в рабочем режиме лампы иметь давление газовой компоненты порядка 1 атмосферы в результате того, что после поджига происходит нагревание лампы (а, следовательно, и сорбента), что приводит к десорбции газовой компоненты. Размещение реверсивного сорбента в дополнительной емкости, сообщающейся с герметичной колбой и снабженной нагревателем, позволяет регулировать в колбе давление газовой компоненты рабочей среды в широком диапазоне значений.

Авторам не известно из патентной и другой научно-технической литературы применение реверсивного сорбента для изменения давления рабочей среды и тем самым напряжения зажигания дугового разряда.

На фиг. 1 показана газоразрядная натриевая лампа высокого давления (НЛВД); на фиг. 2 показана газоразрядная металлогалогенная лампа (МГЛ) в разрезе; на фиг.3 газоразрядная ксеноновая лампа в безэлектродном варианте, в разрезе; на фиг. 4 показан вариант газоразрядной лампы с дополнительной емкостью, снабженной нагревателем.

Газоразрядная лампа включает герметичную колбу 1, выполненную из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла или керамики. В НЛВД и МГЛ (см. фиг.1 и 2) герметичная колба (горелка) 1 помещена во внешнюю колбу 2, вакуумированную или заполненную инертным газом. Герметичная колба 1 заполнена рабочей средой, в качестве которой может быть инертный газ (например, ксенон как на фиг.3 и 4), или ртуть, галогениды металлов и инертный газ (в МГЛ фиг.2), или натрий (а в ряде случаев и ртуть) и ксенон (в НЛВД фиг.1). Колба 1 может быть снабжена рабочими электродами 3 и 4, а в безэлектродном варианте (фиг.3) такие электроды отсутствуют и для возбуждения разряда применяют высокочастотный контур 5, подключаемый к высокочастотному генератору (на чертеже не показан). Реверсивный сорбент 6, имеющий температуру десорбции выше температуры газоразрядной лампы в неработающем состоянии (т. е. выше температуры окружающей лампу среды), может быть размещен либо в заэлектродном пространстве (фиг.1, 2), либо вблизи контура 5 (фиг.3), либо в дополнительной емкости 7 (фиг.4). При размещении сорбента 6 вблизи электрода (фиг. 1), если температура электрода в рабочем режиме будет слишком велика (может привести к разложению сорбента), следует обеспечить хороший тепловой контакт сорбента со стенками колбы 1, температура которых на концах обычно не превышает 1000-1100 К. В случае размещения сорбента 6 в дополнительной емкости 7 (специальном штенгеле, например в штенгеле, через который производится откачка лампы (см. фиг.4), необходимый тепловой режим можно, например, обеспечить нагревателем 8, подключаемым к регулируемому источнику питания (на чертеже не показан). Количество вводимого сорбента 6 определяется поглощающей способностью сорбента и количеством газовой компоненты, которую необходимо поглотить в нерабочем состоянии для обеспечения поджига разряда, и рассчитывается известными методами.

При выборе сорбента для конкретного типа газоразрядной лампы следует принимать во внимание следующие обстоятельства: сорбент не должен взаимодействовать со стенками колбы и конструктивными элементами лампы (электродами, припоем и т. д. ); не должен поглощать светоизлучающие или иные компоненты рабочей среды, кроме газовой компоненты, или химически взаимодействовать с ними; должен выдерживать без разложения рабочие температуры, соответствующие по крайней мере наиболее холодным зонам в колбе лампы; температура десорбции должна быть ниже температуры рабочих зон в работающей лампе.

Рассмотрим один из вариантов работы заявляемой газоразрядной лампы на примере ксеноновой лампы (см. фиг. 4). В неработающем состоянии давление ксенона в колбе 1 составляет (в зависимости от температуры окружающей среды) 1,3-8 кПа, так как находящийся в дополнительной емкости 7 реверсивный сорбент 6 (цеолит NaX) удерживает в своих порах большую часть ксенона. Изменение начального давления ксенона в колбе 1 может осуществляться с помощью нагревателя 8, подключенного к регулируемому источнику питания. На рабочие электроды 3 и 4 подают напряжение зажигания. В результате между электродами 3 и 4 возникает электрический разряд. При этом происходит нагрев колбы 1 и дополнительной емкости 7 с реверсивным сорбентом 6 (возможен контролируемый нагрев сорбента 6 с помощью нагревателя 8). При нагреве сорбента 6 происходит десорбция ксенона, давление в колбе 1 повышается. При температуре сорбента 6, превышающей температуру десорбции, весь ксенон переходит в рабочую среду колбы 1, и таким образом в колбе 1 устанавливается давление ксенона, обеспечивающее оптимальные рабочие характеристики лампы.

Авторами был изготовлен макет заявляемой газоразрядной лампы, который полностью подтвердил преимущества заявляемой конструкции по сравнению с существующими типами газоразрядных ламп. Заявляемая лампа оказывается взрывобезопасной в неработающем состоянии. Кроме того, в ксеноновых лампах при наличии реверсивного сорбента возможно увеличение давления рабочей среды без увеличения напряжения зажигания по сравнению со стандартами для существующих генераторов поджигающих импульсов. Так как градиент потенциала в столбе ксеноновой дуги растет с увеличением давления, можно повысить рабочее напряжение ламп, питающихся через понижающий трансформатор до уровня сетевого (220 В), исключив тем самым необходимость применения такого трансформатора. В НЛВД введение реверсивного сорбента позволяет отказаться от применения ртути при рабочем давлении ксенона порядка 1 атм и в то же время иметь напряжение зажигания, соответствующее давлению ксенона 20-60 Торр. Такие экологически чистые газоразрядные лампы могут работать с обычной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА). Использование же в газоразрядной лампе с ртутью реверсивного сорбента позволяет повысить давление ксенона до 100-300 Торр, что позволяет повысить светоотдачу или улучшить цветопередачу без снижения светоотдачи, причем такие лампы также могут работать с обычными ПРА.

Формула изобретения

1. ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА, включающая наполненную рабочей средой герметичную колбу из оптически прозрачного материала, снабженную средством для конденсации газовой компоненты рабочей среды, отличающаяся тем, что упомянутое средство выполнено в виде реверсивного сорбента газовой компоненты рабочей среды с температурой десорбции T_д, удовлетворяющей соотношению T_д > T_нс, где T_нс температура газоразрядной лампы в неработающем состоянии.

2. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что реверсивный сорбент выполнен из цеолита.

3. Лампа по п.2, отличающаяся тем, что реверсивный сорбент выполнен из цеолита NaX.

4. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что реверсивный сорбент размещен в дополнительной емкости, сообщающейся с герметичной колбой.

5. Лампа по п.4, отличающаяся тем, что дополнительная емкость снабжена нагревателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4