RU2084045C1

RU2084045C1 - Metal-halide lamp

Info

Publication number: RU2084045C1
Application number: RU95105195A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Ашурков; Г.С. Сарычев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Фототехнология"
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1995-04-10
Publication date: 1997-07-10
Also published as: RU95105195A

Abstract

FIELD: light generation for plant growth. SUBSTANCE: device has torch which is made from transparent material, and electrodes which are mounted in sealing. Torch is filled with xenon and dopes in order to supply halides of emitting materials. Said dopes include halides of lithium, sodium and gallium using mole content per cubic centimeter of 4.7; 0.5-4.0 and 0.75-10.0 respectively. Molar ratio of lithium content to that of sodium and gallium is in range of 0.6-3.5 and 1.0-3.5 respectively. Xenon pressure is in range of 7-120 kPa. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к светотехнике, в частности к конструкции металлогалогенных ламп для облучения растений в растениеводстве защищенного грунта (светокультура растений). The invention relates to lighting engineering, in particular to the design of metal halide lamps for irradiating plants in crop production of protected soil (plant photoculture).

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/. Known metal halide lamp for plant irradiation, containing a burner made of optically transparent material with hermetically sealed electrodes, filled with an inert gas (starting), mercury and additives to provide the burner with lithium and gallium iodides taken in certain quantities / 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.It should be noted that the lamp is a necessary element of irradiation plants for growing plants in sheltered soil and must meet a number of modern requirements;
quite efficiently emit in the region of "photosynthetically active radiation" (PAR): 380-710 nm;
to have a ratio for radiant fluxes defined for each plant group in the conditionally blue, (380-500) nm, conditionally green, (500-600) nm; and conventionally red (600-710) nm, zones of the PAR area; usually more in red, then in blue and least in conventional green;
not contain in the full spectrum of radiation environmentally harmful spectral components (sites) that are harmful to plants or reduce the productivity of their growing (growth and development inhibition), namely: those that are practically absent in the natural (i.e., near-surface solar) spectrum with wavelengths shorter 300 nm and discretely positioned so that in the natural radiation there are deep narrow dips, known as absorption lines in the solar spectrum or Fraunhofer lines, of which seventy lines are the strongest nim / 2 / and, accordingly, primarily deserving of consideration when creating lamps for plant irradiation;
not contain in its (easily destroyed during transportation, installation and operation, as well as disposal) design of toxic components, especially supertoxic mercury.

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. In this case, the elimination in the spectrum of the lamp of components with wavelengths shorter than 300 nm is usually carried out using a glass external bulb (balloon) surrounding the burner, while the rest of the above requirements satisfy a rational choice of the composition of the burner filling.

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. The disadvantages of the lamp according to / 1 / when used for plant irradiation are mainly low complex environmental friendliness due to the use of mercury in the burner filling: as, simultaneously, a superethoxicant and a generator of a strong spectral line of 404.66 nm, which, taking into account broadening in the discharge, completely ("clogs") the Fraunhofer strong line of 404.58 nm, and the generator also has a less strong, but noticeable, 390.64 nm line, overlapping the Fraunhofer strong line of 390.55 nm, which affects low production productivity and the line-analog.

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.The closest in technical essence to the claimed solution is the lamp design chosen as a prototype according to / 3 /, containing a burner made of optically transparent material with hermetically sealed electrodes, filled with xenon at an (initial) pressure of 16-266 kPa and additives to provide the burner with radiating halides lithium, gallium, indium and thallium metals taken in amounts (in nmol / cm ³ ) of 45-600, 30-300, 15-200 and 6-80, respectively, and the molar ratios of the amount of lithium to the amounts of gallium, indium and thallium are in limit ah 1.2-3.5; 3.0-7.0 and 5.0-10.0 respectively.

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. The disadvantage of the prototype is the low productivity (or, accordingly, low energy efficiency) of the lamp in this application due to the inhibitory growth and growth of plants, the influence of such strong spectral lines of the prototype lamp as indium 410.18 nm, overlapping the strong Fraunhofer line 410.18 nm, and the thallium lines of 351.92 nm, 352.94 nm and 377.57 nm, respectively, overlapping the strong Fraunhofer lines of 351.51 nm, 352.45 nm and 377.06 nm.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности. The aim of the invention is to increase energy efficiency.

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.This goal is achieved by the fact that in a metal halide lamp for plant irradiation, containing a burner made of optically transparent material with hermetically sealed electrodes, filled with xenon and additives to provide the burner with emitting metal halides, additives used to provide the burner with lithium, sodium and gallium halides are used as these additives while the molar ratios of the amount of lithium to sodium and gallium are 0.6-3.5 and 1.0-3.5, respectively, and the components are taken in the following quantities, in μmo v / cm ^3:
halide burner additives
lithium 0.3-4.7;
sodium 0.5 4.0;
gallium 0.75 10.0,
and the xenon pressure is 7,120 kPa.

На чертеже представлен спектр излучения лампы. The drawing shows the emission spectrum of the lamp.

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. In a metal halide lamp according to the claimed solution, the selected filler composition, as well as the taken ratio between the components, allow one to obtain radiation according to the level of lamp efficiency in the PAR area and the ratio of intensities in the conditionally blue, green and red zones of the PAR area not inferior to that achieved in the prototype lamp, but not containing any pronounced spectral components (lines, first of all) that have no analogues in living nature: corresponding in location to the strongest Fraunhofer lines (according to the list / 2 /), which is practically blames the inhibitory effect of this radiation on the growth and development of plants, and thereby increases the productivity of the lamp, and therefore its energy efficiency for this application.

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. The rest is structurally (in principle) a lamp that does not differ from known metal halide lamps for this purpose, with an external glass bulb (balloon), while the lamp can be made in both single-ended and double-ended (spotlight) versions.

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.As additives for providing the burner with radiating metal halides, the following can be used:
lithium, sodium and gallium halides, i.e. directly emitting metal halides;
pure metals and stoichiometric halides of certain "inactive" metals, such as lead, such that when the burner is first turned on, reactions of the type occur within a few minutes

where Me is a radiating metal;
m, n is the number of atoms;
X is halogen;
oxides of lithium and sodium, halides, some "inactive" metals and aluminum and (or) silicon. In this case, when the burner is turned on for the first time, the reactions can be as follows (for example, lithium oxide with the participation of aluminum or silicon, lead halide):

Lead, alumina or silica formed as a result of reactions (1) and (2), (3), condensing in the coldest parts of the burner wall, serve as their insulation, complementing the effect of the insulation of the burner.

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. The lamp operates as follows. After the lamp is turned on, the supply voltage and high-voltage electric pulses (from the ignition device) are supplied to the burner, as a result of which a discharge occurs in the xenon between the electrodes, which, by heating the burner wall, leads to the evaporation of the indicated halides of the emitting metals from it / assuming that in cases of reactions (1) - (3), the latter already occurred during the first, preliminary (technological) turning on of the burner / lamp flashes. At the end of ignition, the lamp enters the arc discharge mode with steady-state operating parameters. At the same time, strong lines of additive metals are superimposed on the relatively weak practically continuous (according to measurements) xenon emission spectrum: in the conventionally blue zone of the 403.3 nm and 417.2 nm gallium lines, in the conventionally green zone of the 589.0 nm and 589.6 nm lines sodium and in the conventionally red zone - the lines of 610.4 nm and 670.8 nm of lithium. As a result, along with high values of the lamp efficiency in the PAR area, plus the ratio of intensities in the indicated areas of the PAR area, not worse than that of the prototype lamp, the lamp according to the claimed solution has increased productivity in the production irradiation of plants (for example, 1.1 1.2 times for Khibinskaya cabbage) and, correspondingly, the same number of times, greater energy efficiency (effective efficiency) for this application, which is explained by the fact that the lamp spectrum does not contain components that “clog” the strongest Fraunhofer lines, as from known / 2 / located in the wavelength range of 308 870 nm, and thereby inhibiting the growth and development of plants.

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. At a xenon pressure less than 7 kPa, its broadening effect on the line of emitting metals is not sufficiently manifested, as a result of which it is difficult to exit the discharge (low efficiency in the PAR region) and the gradient of the electric potential of the discharge is too low, which makes it difficult to create sufficiently compact lamp designs. At a xenon pressure greater than 120 kPa, it is difficult to ignite the discharge and the lamp during operation is extremely explosive.

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. The amount of additives to provide the burner with lithium, sodium and gallium halides is selected from the condition of providing the necessary molar ratio between the amounts of emitting metals. Moreover, with smaller amounts of additives, the efficiency in the PAR area and the gradient of the electric potential of the discharge turn out to be too low, while for large quantities, additional positive effects do not appear, and the cost of acquiring additives increases.

Молярные отношения количества лития к количествам натрия и галлия должны составлять 0,6 3,5 и 1,0 3,5 соответственно. Это определено экспериментально. The molar ratios of the amount of lithium to the amounts of sodium and gallium should be 0.6 3.5 and 1.0 3.5, respectively. This is determined experimentally.

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. At the indicated molar ratios greater than 3.5, the predominant role of radiation of (red) lithium appears to the detriment of radiation of sodium (conditionally green) and gallium (conditionally blue), respectively, which causes an excessive decrease in the efficiency in the PAR area and a deterioration in the ratios between lamp radiation levels in specified areas of the PAR area. With the indicated molar ratios less than 0.6 and 1.0, on the contrary, the deficiency of red lithium radiation with an excessive increase in the radiation in the sodium and gallium lines, respectively, causes a similar negative effect.

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.Examples of specific lamp designs for five options with the same power of 1 kW are shown in the table. The designations (in addition to the known chemical ones) and dimensions in the table are as follows: Xe (initial) xenon pressure in kPa; LiJ, Li ₂ O. PbBr ₂ molar concentrations in the volume of the burner of the respective components of the filling of the burner in µmol / cm ³ ; Li Na and Li Ga molar ratios of lithium to sodium and lithium to gallium, respectively; EFFICIENCY OF HEADLIGHTS energy efficiency of the lamp in the HEADLIGHT region, C: 3: K the ratio between the levels of radiation of the lamp in the relatively blue, green and light red zones of the HEADLIGHT region, R _and - the productive (energy activity) of the lamp when growing Khibiny cabbage, conv. units R _p the same lamp of the prototype with the corresponding (with an accuracy of ± 6%) the efficiency of the PAR and C: 3: K, conv. units

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. The introduction of the proposed lamp will increase the efficiency of plant irradiation compared to the prototype lamp due to the increased environmental friendliness of the spectral composition of radiation, in which there are practically no optical spectral components that are also absent in natural (i.e., near-surface solar) radiation.

Claims

Metal halide lamp for plant irradiation, containing a burner made of optically transparent material with hermetically sealed electrodes, filled with xenon and additives to provide the burner with emitting metal halides, characterized in that the additives used to provide the burner with lithium, sodium and gallium halides taken in the amounts of 0.3 4.7, 0.5 4.0 and 0.75 10.0 μmol / cm ³ respectively, the molar ratios of the amount of lithium to the amounts of sodium and gallium are in the range of 0.6 3.5 and 1.0 3 , 5 respectively neno, and the xenon pressure is in the range of 7 120 kPa.