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无灯丝热阴极紫外线灯管及制作方法[1]

2013-8-26  来源:中国之光网  作者:陈枕流 居家奇 陈大华 吕家东 孙大有 陈宗烈  有6143人阅读

本文介绍如何将无灯丝热阴极技术应用在紫外线灯产品之上,对无灯丝后紫外线灯管辐射效率提高机理进行了探讨,介绍了无灯丝紫外线灯管生产关键设备的研制。

  无灯丝热阴极荧光灯已经问世近十年,十年来通过研究者的不懈努力,已经在光通光效、寿命及开关次数、管径及给汞量等诸多参数和特性上全面改写了有灯丝荧光灯的最佳历史记录。近来研究者进一步将该技术移植到同是低压气体放电灯的紫外线灯,取得了更加喜人的成绩。

  一、无灯丝热阴极从荧光灯到紫外线灯

  所谓无灯丝,“无”此处为动词,即去掉灯丝功能之意。荧光灯有灯丝是与生俱来,制作过程没有灯丝通电分解阴极电子粉也就没有荧光灯;尤其在诞生之后约半个世纪一直是电感镇流器低频驱动灯管,灯管燃点也必须借助灯丝通电预热才能启动。自上世纪末荧光灯尤其节能灯电子镇流器的日益成熟,灯管在高频驱动下初始的谐振电压可高达3000V左右,不用灯丝预热分立元件组成的电子镇流器也能够满意启动;只是分立元件谐振频率不稳定,随机性较大,不能保证在开关管轮流导通的一个周期就击穿灯管,往往两只开关管来来回回要N次才能启动导通灯管;在灯管制作不良的情况下,开关一次延迟0.1s导通也使得阴极耐受谐振高压状态下的离子轰击几千次,而优良品质的灯管启动特性好,N则趋于最小值,所以良品灯管才适宜无灯丝,在无灯丝下可以增加开关次数,而不良品则开关短寿;因此,用分立元件电子镇流器开关灯管成为快速区分灯管品质的一种新方法。

  无灯丝热阴极荧光灯问世近十年来,通过研究者的不懈努力,已经在光通光效、寿命及开关次数、管径及给汞量等诸多参数和特性上全面改写了有灯丝荧光灯的最佳历史记录。如用无灯丝制作的A60带罩节能灯(图1),光效高达75lm/W,标称输入功率12W,光通接近900lm,给汞量仅0.6mg/支灯管,寿命达到15000h,采用分立元件电子镇流器驱动开关次数也超过20000次;无灯丝节能灯从管径2.9mm单螺旋3.5W/5.5W(图2)超高表面亮度,可替代水晶灯用15~25W白炽灯到一只IC驱动的电子镇流器拖五支蘑菇型灯管150W,在12米的高度可以满意替代400W金卤灯的等产品一应俱全。

  图1、A60带罩节能灯

  图2、单螺旋3.5W/5.5W无灯丝节能灯

  无灯丝热阴极从荧光灯发展到紫外线灯(图3)通过试验取得更加可喜的成绩。首先是灯丝形状由传统与荧光灯一直以来的“平丝”发展到“竖丝”,而且灯丝第三道螺旋直径扩大到与灯管内径接近;这样紫外线灯管不用双钼片支架封接,采用单钼片,内导丝改为镀镍铁丝弯钩后直接压丝;灯丝第三道螺旋圈数可根据需要任意选择,圈数越多阴极储备的电子粉越多灯管寿命越长;尤其“竖丝”结构之后,钨丝mg200设计应该加大,不仅仅有利于阴极装夹几何外形美观,更重要的是阴极基金属钨丝耐受离子轰击能力加强,灯管开关特性好,工作时电子粉热蒸散也小。更进一步的是阴极分解利用石英玻管可以承受1000℃以上高温的特性,在排气车上提高烘箱温度,再在灯管阴极部位增加加热源,保证在分解过程中阴极最高受热>1000℃,灯管各个部位均匀受热接近1000℃,分解时电子粉释放出来的杂质气体不驻留粘附灯管内壁,这样制作出来的紫外线灯管绝对是上上品质。

  图3、无灯丝热阴极紫外线灯

  以上述两点为基础或者出发点,大大扩充了我们对紫外线热阴极灯管的想象空间。

  一是灯管管径不再受一条平丝的约束,设计选择灯管管径可以逼近冷阴极紫外线灯管;这非常有利于制作各种便携式小型化紫外线灯管,即使在与冷阴极同样管径、尺寸和体积下,热阴极可以获得更高的紫外辐射效率。

  二是灯管寿命可以大大延长,在现在极其普通的电子镇流器的驱动下几乎都是灯管先寿终,节能灯如此,紫外线更是这般,寿终前的表征是电子粉消耗殆尽;现在终于找到一个几乎可以无限延长灯管寿命的途径,因为电子粉几乎可以无限增多。

  三是在有限管径之下功率可以大大拉升,对需要制作几十几百瓦超大功率紫外线灯管来说,在现有管径之下至少可以将管径减小一半;如T5管径完全可以制作100~150W紫外线灯管,采用IC的升压APFC电路电子镇流器驱动灯管,寿命还可以大大延长。

  四是紫外线灯管的给汞量可以减少50%以上,行业内人士一半认为紫外线灯管离不开汞,给汞越多效果应该更好;其实是个误区,只要灯管冷端设置合理,在灯管管径减小后管壁负载提高,冷端温度必然随灯管温度的上升而提高,每提高10℃灯管汞含量理论值可以减少一半;而且紫外线灯管储备汞主要是供给阴极的,由于采用上述设计的无灯丝热阴极,开关溅射、工作热蒸发都小,且随着上述排气分解工艺改进灯管内残留杂质源非常有限,对储备汞量的设计不必太保守。

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