ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛАМП С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПАРАМИ Советский патент 1935 года по МПК H01J61/34 

Применение разряда в парах натрия в качестве источника света для осветительных целей позволяет получать в современных конструкциях ламп светоотдачу не более 40-50 люменов на ватт.

При нагреве же колб натриевых ламп в печи до 275-300 и при поддерживании малой плотности тока удается превратить до 90% затрачиваемой в положительном столбе разряда мощности в излучение желтой линии натрия, иными словами, удается получить светоотдачу свыше 400 люменов на ватт.

Получение весьма высокой световой экономичности от натриевого разряда в технических условиях (без применения подогревной печи) наталкивается на одно существенное затруднение, которое состоит в том, что источник света высокой экономичности является по существу "холодным" и при наличии обычных методов теплоизоляции колб (вакуумная рубашка) нельзя получить при малых плотностях тока необходимого саморазогрева ламп до рабочей температуры. Если бы натрий обладал упругостью пара того же порядка, как и ртуть, то построение ламп с весьма значительной световой экономичностью не представляло бы никаких затруднений. При имеющихся же условиях качество тепловой изоляции является решающим фактором для разрешения проблемы. Одновременно весьма важным обстоятельством служит также использование таких условий существования натриевого разряда, при которых высокая светоотдача сочетается с наибольшей плотностью выделения тепловой энергии в разряде.

Настоящее предложение ставит своей целью получение большой светоотдачи от натриевого разряда без применения постороннего подогрева. Для этого предлагается, с одной стороны, применять в качестве теплоизоляции ряд охватывающих друг друга поверхностей из стекла или иного прозрачного материала, например, ряд коксиально расположенных стеклянных цилиндров, находящихся в вакууме, а с другой стороны, использовать в качестве инертного газа гелий или смеси гелия с другими инертными газами, главным образом с неоном.

На прилагаемом чертеже схематически изображено устройство согласно изобретению с помещенной, внутри него лампой.

В данном случае в полости Дюаровского сосуда 1 помещен ряд тонких и закрытых с одного конца стеклянных или иных прозрачных цилиндрических экранов 2, находящихся друг от друга на некотором расстоянии, обусловливаемом соответствующими прокладками между ними.

Световые излучения от помещенной внутри устройства лампы 3 проходят без заметного поглощения через упомянутые экраны 2, в то время как улучшение теплоизоляции получается весьма значительным за счет поглощения каждым из коаксиальных экранов длинноволновых тепловых излучений от ламп.

Предлагаемое устройство, дает наиболее хороший результат при его применении с лампами, имеющими гелий в качестве вспомогательного газа, или же смесь гелия с другими; инертными газами.

Как показали материалы испытаний, использование гелия в качестве инертного газа позволяет при его давлениях 0,5-2 мм получать высокую экономичность при одновременно значительной плотности выделения тепловой энергии; превосходящей туже плотность в случае применения аргона или неона, как вспомогательных наполняющих газов, в 2-3 раза. Применение примеси неона к гелию в количестве, например, 20-30% имеет смысл вследствие двух обстоятельств: а) свечение гелия в начальные моменты горения натриевой лампы, когда последняя еще не разгорелась, весьма слабо, в то время, как примесь неона дает возможность получать довольно интенсивное красное свечение; в) работа оксидных катодов в смеси гелия с неоном происходит более надежно, чем в чистом гелии.

Теплоизоляция в виде ряда коаксиальных трубок из стекла или какого-либо другого прозрачного для желтой линии натрия материала дает возможность весьма значительно снизить мощность, а следовательно и силу тока, потребную для нагрева колбы лампы до рабочей температуры. Приближенный расчет мощности, потребной для самонагрева колбы натриевой лампы в такой системе теплоизоляции, весьма несложен Пусть трубчатая колба натриевой лампы радиуса R_o помещена в n коаксиальных цилиндров, радиусы которых R₁, R₂, R₃ … R_n, и пусть все это заключено в вакуумную рубашку, температуру которой примем равной 300° абсолютных. Последнее предположение, во-первых, сравнительно мало, отличается от истины, а во-вторых, практически колебания в температуре этой рубашки мало существенны в установлении температуры самой лампы. Пусть на 1 см длины в лампе выделяется мощность Р и часть этой мощности αР превращается в тепло, а часть (1-α)Р, следовательно, превращается в излучение натрия, выходящее наружу. Тогда как все движение этого количества тепла от лампы наружу совершается в вакууме путем излучения, мы можем составить n+1 уравнений для каждого из n стеклянных цилиндров и для самой колбы натриевой лампы.

В этих уравнениях - температуры соответственно самой трубки и коаксиальных стеклянных цилиндров, σ - коэффициент в уравнении Стефана Больцмана для изучения черного тела и 0,8 - поправка, вызванная тем, что полное излучение стекла в рассматриваемой области температур составляет около 80% от излучения черного тела. Толщиною стеклянных трубок для упрощения расчета здесь пренебрегают.

Совместное решение приведенных уравнений относительно дает следующее выражение:

Полученный результат показывает, что применение нескольких коаксиальных трубок может в несколько раз понизить мощность, превращаемую в тепло, необходимую для достижения рабочей температуры натриевой лампы. Действительно, подсчеты показали, что в случае применения гелия как вспомогательного наполняющего газа и 3-4 коаксиальных стеклянных цилиндров в качестве тепловой защиты, лампа может саморазогреваться до рабочей температуры еще при сравнительно малой плотности тока, т.е. при высокой экономичности. Построение таких ламп подтвердило расчеты и при подходящем давлении гелия в лампе и определенной силе разрядного тока была получена экономичность свыше 200 люменов на ватт. В расчете этой экономичности не учитывалась мощность, затрачиваемая на подогрев катодов. Учитывая эту мощность и потери в дросселе, который необходимо включать последовательно с лампой, все же можно рассчитывать получить в практическом образце световую экономичность, превышающую 140 люменов на ватт, т.е. в 10 раз , чем для ламп накаливания средней мощности.

Нужно отметить, что достигнутый результат не является окончательным и что на указанном пути безусловно можно получить еще более значительную светоотдачу от натриевых ламп.

1. Теплоизоляционное устройство для электрических ламп с металлическими парами, в частности с парами натрия, выполненное в виде вакуумной рубашки, например, по типу сосуда Дюара, отличающееся тем, что, с целью повышения теплоизоляции, в полости рубашки или соответственно сосуда расположен ряд охватывающих друг друга экранов из стекла или иного прозрачно го материала,

2. Применение устройства по п. 1 при лампах, имеющих в качестве вспомогательного газа гелий или смесь последнего с другими инертными газами.