МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА Российский патент 1997 года по МПК H01J61/18 

Изобретение относится к светотехнике, в частности к конструкции металлогалогенных ламп для облучения растений в растениеводстве защищенного грунта (светокультура растений).

Известна металлогалогенная лампа для облучения растений, содержащая горелку из оптически прозрачного материала с герметично установленными электродами, наполненную инертным газом (стартовым), ртутью и добавками для обеспечения горелки иодидами лития и галлия, взятыми в определенных количествах /1/.

Следует отметить, что лампа является необходимым элементом облучательных установок для выращивания растений в защищенном грунте и должна отвечать ряду современных требований;
достаточно эффективно излучать в области "фотосинтетически активной радиации" (ФАР): 380-710 нм;
иметь определенное для каждой группы растений соотношение между лучистыми потоками в условно синей, (380-500) нм, условно зеленой, (500-600) нм; и условно красной (600-710) нм, зонами области ФАР; обычно, больше в красной, затем в синей и меньше всего в условно зеленой зоне;
не содержать в полном спектре излучения экологически вредных спектральных компонентов (участков), губительных для растений или снижающих продуктивность их выращивания (ингибирование роста и развития), а именно: практически отсутствующих в естественном (т.е. приземном солнечном) спектре полностью с длинами волн короче 300 нм и дискретно расположенных так, где в естественном излучении имеют место глубокие узкие провалы, известные как линии поглощения в солнечном спектре или линии Фраунгофера, из которых семьдесят линий являются самыми сильными /2/ и соответственно, в первую очередь заслуживающими учета при создании ламп для облучения растений;
не содержать в своей (легко разрушающейся при транспортировании, монтаже и эксплуатации, а также утилизации) конструкции токсических компонентов, особенно супертоксичной ртути.

При этом устранение в спектре лампы компонентов с длинами волн короче 300 нм обычно производится с помощью стеклянной внешней колбы (баллона), окружающей горелку, тогда как остальные вышеназванные требования удовлетворяют рациональным выбором состава наполнения горелки.

Недостатками лампы по /1/ при использовании для облучения растений в основном является низкая комплексная экологичность вследствие применения в составе наполнения горелки ртути: как, одновременно, суперэтоксиканта и генератора сильной спектральной линии 404,66 нм, которая, с учетом уширения в разряде, полностью перекрывает ("забивает") сильную линию Фраунгофера 404,58 нм, в также генератора менее сильной, однако же заметной, линии 390,64 нм, перекрывающей сильную линию Фраунгофера 390,55 нм, что и сказывается на низкой продукционной производительности этой линии-аналога.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению, является выбранная в качестве прототипа конструкция лампы по /3/, содержащая горелку из оптически прозрачного материала с герметично установленными электродами, наполненную ксеноном при (начальном) давлении 16-266 кПа и добавками для обеспечения горелки галогенидами излучающих металлов лития, галлия, индия и таллия, взятыми в количествах (в нмоль/см³) 45-600, 30-300, 15-200 и 6-80 соответственно, причем молярные отношения количества лития к количествам галлия, индия и таллия лежат в пределах 1,2-3,5; 3,0-7,0 и 5,0-10,0 соответственно.

Недостатком прототипа является низкая производительность (или, соответственно, низкая энергетическая эффективность) лампы в данном применении вследствие ингибирующего рост и развитие растений влияния таких сильных спектральных линий лампы-прототипа, как индия 410,18 нм, перекрывающая сильную линию Фраунгофера 410,18 нм, и линии таллия 351,92 нм, 352,94 нм и 377,57 нм, соответственно перекрывающие сильные линии Фраунгофера 351,51 нм, 352,45 нм и 377,06 нм.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что в металлогалогенной лампе для облучения растений, содержащей горелку из оптически прозрачного материала с герметично установленными электродами, наполненную ксеноном и добавками для обеспечения горелки галогенидами излучающих металлов, в качестве указанных добавок использованы добавки для обеспечения горелки галогенидами лития, натрия и галлия, при этом молярные отношения количества лития к натрию и галлию составляют 0,6-3,5 и 1,0-3,5 соответственно, а компоненты взяты в следующих количествах, в мкмоль/см³:
добавки для обеспечения горелки галогенидами
лития 0,3-4,7;
натрия 0,5 4,0;
галлия 0,75 10,0,
а давление ксенона составляет 7 120 кПа.

На чертеже представлен спектр излучения лампы.

В металлогалогенной лампе по заявляемому решению выбранный состав наполнителя, а также взятое соотношение между компонентами позволяют получить излучение по уровню КПД лампы в области ФАР и соотношению интенсивностей в условно сине, зеленой и красной зонах области ФАР не уступающее достигаемым в лампе-прототипе, но не содержащее сколько-нибудь выраженных спектральных компонентов (линий, прежде всего), не имеющих аналогов в живой природе: соответствующих по расположению самым сильным линиям Фраунгофера (по перечню /2/), что практически устраняет ингибирующее действие этого излучения на рост и развитие растений, и тем самым повышает производительность лампы, а следовательно, ее энергетическую эффективность для данного применения.

В остальном конструктивно (в принципе) лампа не отличается от известных металлогалогенных ламп данного назначения, с внешней стеклянной колбой (баллоном), при этом лампа может быть выполнена как в одноцокольном, так и в двухцокольном (софитном) исполнениях.

В качестве добавок для обеспечения горелки галогенидами излучающих металлов могут использоваться:
галогениды лития, натрия и галлия, т.е. непосредственно галогениды излучающих металлов;
чистые металлы и взятые в стехиометрическом отношении галогениды некоторых "неактивных" металлов, например свинца, такие что при первом включении горелки, в течение нескольких минут, происходят реакции типа

где Me излучающий металла;
m, n число атомов;
X галоген;
оксиды лития и натрия, галогениды, некоторых "неактивных" металлов и алюминий и (или) кремний. В этом случае при первом включении горелки реакции могут быть следующими (на примере оксида лития с участием алюминия или кремния, галогенида свинца):


Образующиеся в результате реакций (1) и (2), (3) свинец, оксид алюминия или оксид кремния, конденсируясь на наиболее холодных участках стенки горелки, служат их утеплению, дополняя действие утепляющих покрытий горелки.

Лампа работает следующим образом. После включения лампы в цепь питания на горелку подается напряжение питающей сети и высоковольтные электрические импульсы (от зажигающего устройства), в результате чего между электродами возникает разряд в ксеноне, который, разогревая стенку горелки, приводит к испарению с нее указанных галогенидов излучающих металлов /предполагая, что в случаях реакций (1)-(3) последние уже произошли при первом, предварительном (технологическом) включении горелки/ лампа разгорается. По окончании разгорания лампа переходит в режим дугового разряда с установившимися параметрами рабочий. При этом на относительно слабый практически непрерывный (согласно измерениям) спектр излучения ксенона наложены сильные линии металлов добавок: в условно синей зоне линии 403,3 нм и 417,2 нм галлия, в условно зеленой зоне линии 589,0 нм и 589,6 нм натрия и в условно красной зоне - линии 610,4 нм и 670,8 нм лития. В результате наряду с высокими значениями КПД лампы в области ФАР, плюс соотношением интенсивностей в указанных зонах области ФАР, не хуже, чем у лампы прототипа, лампа по заявляемому решению обладает повышенной производительностью при продукционном облучении растений (например, в 1,1 1,2 раз для капусты "Хибинская") и, соответственно, во столько же раз, большей энергетической эффективностью (эффективным КПД) для данного применения, что объяснимо тем, что спектр лампы не содержит компонентов "забивающих" самые сильные линии Фраунгофера, как известно /2/, расположенные в диапазоне длин волн 308 870 нм, и, тем самым, ингибирующих рост и развитие растений.

При давлении ксенона, меньшем 7 кПа, недостаточно проявляется его уширяющее действие на линии излучающих металлов, в результате чего их выход из разряда затруднен (низкий КПД в области ФАР), и слишком низок градиент электрического потенциала разряда, что затрудняет создание достаточно компактных конструкций лампы. При давлении ксенона, большем 120 кПа, затруднено зажигание разряда и лампы при эксплуатации оказывается чрезмерно взрывоопасной.

Количества добавок для обеспечения горелки галогенидами лития, натрия и галлия выбраны из условия обеспечения необходимого молярного соотношения между количествами излучающих металлов. При этом при меньших количествах добавок слишком низкими оказываются КПД в области ФАР и градиент электрического потенциала разряда а при больших дополнительные положительные эффекты не появляются, а затраты на приобретение добавок растут.

Молярные отношения количества лития к количествам натрия и галлия должны составлять 0,6 3,5 и 1,0 3,5 соответственно. Это определено экспериментально.

При указанных молярных отношениях, больших 3,5, оказывается превалирующая роль излучения (красного) лития в ущерб излучениям соответственно натрия (условно зеленое) и галлия (условно синее), что вызывает чрезмерное спад КПД в области ФАР и ухудшение соотношений между уровнями излучения лампы в указанных зонах области ФАР. При указанных молярных отношениях, меньших 0,6 и 1,0, сказывается, напротив, недостаток красного излучения лития при излишнем росте излучения в линиях натрия и галлия соответственно, что вызывает аналогичный отрицательный эффект.

Примеры конкретного выполнения лампы пять вариантов при одинаковой мощности в 1 кВт приведены в таблице. Обозначения (помимо известных химических) и размерности в таблице следующие: Xe (начальное) давление ксенона в кПа; LiJ, Li₂O.PbBr₂ молярные концентрации в объеме горелки соответствующих компонентов наполнения горелки в мкмоль/см³; Li Na и Li Ga молярные отношения лития к натрию и лития к галлию соответственно; КПД ФАР энергетический КПД лампы в области ФАР, C:3:K соотношение между уровнями излучения лампы в условно синей, условно зеленой и условно красной зонах области ФАР, R_и - производительно (энергетическая активность) лампы при выращивании капусты "Хибинская", усл. ед. R_п то же лампы прототипа с соответственными (с точностью ± 6%) КПД ФАР и C:3:K, усл. ед.

Внедрение предлагаемой лампы позволит повысить эффективность облучения растений по сравнению с лампой-прототипом за счет повышенной экологичности спектрального состава излучения, в котором практически отсутствуют оптические спектральные компоненты, также отсутствующие в естественном (т.е. приземном солнечном) излучении.

Использование: в металлогалогенных лампах для облучения растений в растениеводстве защищенного грунта. Сущность изобретения: металлогалогенная лампа для облучения растений содержит горелку из оптически прозрачного материала с герметично-установленными электродами. Горелка наполнена ксеноном и добавками для обеспечения ее галогенидами излучающих металлов. При этом в качестве указанных добавок использованы добавки для обеспечения горелки галогенидами лития, натрия и галлия, взятые соответственно в количествах (в мкмоль/см³) - 4,7; 0,5-4,0 и 0,75-10,0, молярные отношения количества лития к количествам натрия и галлия лежат в пределах 0,6-3,5 и 1,0-3,5, соответственно, а давление ксенона находится в диапазоне 7-120 кПа, 1 ил., 1 табл.

Металлогалогенная лампа для облучения растений, содержащая горелку из оптически прозрачного материала с герметично установленными электродами, наполненную ксеноном и добавками для обеспечения горелки галогенидами излучающих металлов, отличающаяся тем, что в качестве указанных добавок использованы добавки для обеспечения горелки галогенидами лития, натрия и галлия, взятые в количествах 0,3 4,7, 0,5 4,0 и 0,75 10,0 мкмоль/см³ соответственно, молярные отношения количества лития к количествам натрия и галлия лежат в пределах 0,6 3,5 и 1,0 3,5 соответственно, а давление ксенона находится в диапазоне 7 120 кПа.