高强度低压紫外线灯钨电极质量改进研究

严剑刚,罗 俊

(1.上海第二工业大学工程训练中心,上海201209;2.上海亚尔光源有限公司,上海201801)

高强度低压紫外线灯钨电极质量改进研究

严剑刚1,罗 俊2

(1.上海第二工业大学工程训练中心,上海201209;2.上海亚尔光源有限公司,上海201801)

高强度低压紫外线杀菌灯钨电极(灯丝)主要为热电子发射提供能量,是紫外线杀菌灯的“心脏”,会影响灯的质量和使用寿命。虽然目前国内高强度低压紫外线杀菌灯产量大,但是品质难以达到欧美发达国家的水平。而高强度低压紫外线杀菌灯电极的结构设计、生产工艺是保证产品最终质量的关键。因此,从高强度低压紫外线杀菌灯电极的结构设计、生产工艺全过程进行探讨分析,寻求最佳的设计与生产工艺,是提高灯质量的有效方法。研究结果表明:① 改变结构设计有效解决了高强度低压紫外线杀菌灯电极并圈、变形等缺陷;② 改变退火工艺有效改善了灯丝的断丝现象。

高强度低压紫外线杀菌灯;电极;质量;结构设计;生产工艺

0 引言

高强度低压紫外线杀菌灯在当今工农业和生活中被应用得越来越广泛[1],因此受到了人们的极大重视。我国紫外线杀菌灯产量大,但质量及附加价值远低于世界平均水平,质量竞争很弱[2]。而高强度低压紫外线杀菌灯电极(灯丝)主要为热电子发射提供能量,是紫外线杀菌灯的“心脏”,影响着灯的质量和使用寿命[3]。为此对于高强度低压紫外线杀菌灯电极的深入研究必不可少,这是制造高光效、长寿命灯的关键。

现有的高强度低压紫外线杀菌灯电极结构主要是三螺旋架构[4],外形多为条形与门字形。由于高强度低压紫外线杀菌灯越来越向细管形和大功率发展,故条形灯丝也正逐步被门字形灯丝所取代(条形灯丝采用夹丝接触,影响灯管向细管发展且夹紧后电阻差异大)。但门字形小功率灯丝在点灯受热后易扭曲变形,大功率灯丝在成形时断丝严重(加大了点灯风险)。

因此,本文从高强度低压紫外线杀菌灯电极结构的设计、生产工艺全过程进行探讨分析,寻求最佳的处理工艺,提高产品的质量。

1 实验条件

灯丝多为螺旋丝,几何参数为钨丝直径d、直丝长度l、螺旋系数ks和芯丝系数kc。对灯的光电参数及灯管尺寸分析,原有参数设计符合要求;对缺陷产品分析,变形灯丝都成“开花”状,两灯脚对灯丝丝身在通电受热后没有支撑作用,因此,对灯丝三道的绕丝旋向以及丝脚的出丝方法有待深入研究。对灯丝的断丝产品分析得到断裂均为大功率灯丝的丝身处,在丝脚处没有发现,传统的二道退火工艺对于大功率灯丝三次大变形量绕制成形后的应力消除显然不够,因此在退火工艺上有待改善。

1.1 实验设备及材料

本实验所使用的高速绕丝机由南京科思电光源设备研究所设计,绕丝转速达30000 r/min;上海轻工所RS-V成形绕丝机,可根据成形需求更换成形夹具;自制烧氢退火炉,炉温温差可控制在±10°C范围内。为排除其他外因的影响,实验保证同一规格灯丝采用同一批次钨丝材料,并严格控制设备的生产参数。

钨丝作为热电子发射提供能量的关键材料[5],必须选用绕制性能好、抗下垂、耐高温性能好的材料[6]。实验选用厦门虹鹭钨钼工业有限公司提供的钨丝,其材料一致性相对较好,长期使用质量稳定。

1.2 辅助检测设备

电阻测试仪、数码显微镜是检验灯丝合格与否的有效设备[7]。本实验所使用的是日本KEYENCE公司数码显微镜,放大倍数可达1 000倍,能清晰观察细钨丝的断丝情况。

2 工艺实验

灯丝参数的设计和阴极材料的选配十分重要,灯丝所用钨丝的直径、长度以及灯丝的螺距、圈数等结构参数直接影响着阴极预热温度[8]。

2.1 结构设计

为了减少灯丝附近的热能损耗,确保灯丝具有足够的机械稳定性和良好的抗冲击性,提高高强度低压紫外线杀菌灯灯丝的电子发射材料含量,在生产时都把灯丝绕成螺旋形[9]。针对门字形三螺旋灯丝三道绕丝方式顺序一般采用左旋/左旋/左旋,丝脚出丝的方式为切线形式(见图1)。但这种结构设计在点灯的过程中,灯丝并圈、变形的情况严重(见图2),影响了成灯的质量。

图1 高强度低压紫外线杀菌灯Fig.1 High intensity low pressure UV disinfection lamp

图2 灯丝变形Fig.2 Deformation of thefi lament

对缺陷产品分析得出,灯丝在点灯受热的过程中由于三道绕丝的旋向相同及三道绕丝丝脚的切线出丝方式,很难对灯丝螺旋有一定的支撑作用。因此,灯丝受热后扭曲力没有相互抵消导致螺旋间变形严重。为寻求最佳设计,针对三道绕丝的旋向(左旋/右旋)及三道丝脚出丝方向建立正交实验,根据各因素的变化范围和取值大小把每种因素化为二种水平[10],具体见表1。

表1 水平取值表Tab.1 Horizontal table

根据表1的取值绘制成因素水平表,并以A表示一道绕丝旋向,B表示二道绕丝旋向,C表示三道绕丝旋向,D表示丝脚出丝方向,进行各组实验。

2.2 退火工艺

灯丝绕成螺旋形,钨丝的变形量很大,造成了一定的塑性变形。这使钨丝强度增加,脆性加大。因此灯丝成形后,必须要先“定形”,再撤去外力。一般灯丝为二次退火,但对于大功率灯丝二次退火后钨丝脆性仍较大,成型后钨丝断裂情况严重(见图3)。大功率灯丝钨丝相对较粗,二次退火不彻底,加大了断丝的风险。因此对大功率灯丝退火工艺还需进一步改善研究,根据经验法在一次绕制成形后增加退火工艺,并通过温度、收丝速度、放丝阻尼进行正交实验,具体见表2。

图3 灯丝断丝Fig.3 Thebroken wiresof thefi lament

表2 水平取值表Tab.2 Horizontal table

根据表2的取值绘制成因素水平表,并以A表示温度,B表示收丝速度,C表示收丝阻尼,进行各组实验。

3 实验结果与分析

3.1 结构设计

将因素水平按照正交表的设计准则依次填入,制成一个L8(24)型的正交实验表(见表3)。

表3 正交实验表Tab.3 Orthogonal test analysistable

根据设计好的正交实验表进行实验,实验结果如图4所示。

图4 实验结果Fig.4 Testing result

通过对比正交实验,每组抽取200根灯丝制成灯,点灯后实验结果可以发现,第8组A2B2C1D2实验的并圈、变形废品率为0,表明第8组是实验中最佳的。直观地判断灯丝结构设计的最优组合为:左旋/左旋/右旋+中心出脚,其设计如图5所示。

3.2 退火工艺

将因素水平按照正交表的设计准则依次填入,制成一个L9(33)型的正交实验表(见表4)。依据设计好的正交实验表进行实验,实验结果如图6所示。

图5 灯丝新设计Fig.5 Thenew design of thefi lament

通过对比正交实验,每组同样抽取200根灯丝制成灯,点灯后实验结果可以发现,第8组A3B2C1实验的断丝废品率大大降低。因此,对大功率灯丝一道绕丝后增加一道湿氢退火工艺,减小了绕制应力,防止了后续绕制过程中增加的材料脆性,灯丝断丝废品率从原先的30%下降到了5%以内。

表4 正交实验表Tab.4 Orthogonal test analysistable

图6 实验结果Fig.6 Testing result

4 结论

本文对高强度低压紫外线杀菌灯电极的结构设计、生产工艺全过程进行了探讨分析。通过实验、结果检测及使用反馈,得到以下结论:

(1)对高强度低压紫外线杀菌灯电极的结构设计进行更改,得到三道绕丝顺序为左旋/左旋/右旋+三道中心出脚的方式,能有效改善灯丝并圈、变形等缺陷。

(2)对高强度低压紫外线杀菌灯大功率电极一道绕制后增加湿氢退火工艺,能有效降低断丝现象。

因此,通过摸索高强度低压紫外线杀菌灯钨电极的结构设计、生产工艺全过程,可提高产品质量,为制造高光效、长寿命的高强度低压紫外线杀菌灯提供保障。

[1] 丁有生.高强度低压汞齐紫外线灯特性探讨[J].灯与照明,2014,38(4):53-56.

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[3] 周太明,周详,蔡伟新.光源原理与设计[M].上海:复旦大学出版社,2006.

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[6] 方道腴,蔡祖泉.电光源工艺[M].上海:复旦大学出版社,1988.

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[9] 王尔镇,王春锋,梁伟熠.照明光源的寿命特性和改进[J].中国照明电器,2004,26(9):20-25.

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Abstract:Tungsten Electrode(fi lament)in high intensity low pressure UV disinfection lamp ismainly in function of providing energy to activateradiation.It isthe “heart”of lamp which impactsthe quality and ageof lamp.Thequality of high intensity low pressure UV disinfection lamp isdiffi cult to achievetheworld classlevel though thedomestic demand isquitehigh.Thequality of high intensity low pressure UV disinfection lamp isguaranteed by manufactureprocessand design of electrode(fi lament).Thebest design and processby analyzing the manufacture process and design of the lamp was fi gured out.It is the most efficient method to promote quality of lamp.The result indicated that①the defect of electrode(fi lament)of high intensity low pressure UV disinfection lamp(connected wind,deformed coil)was solved by changing the structure design,②the phenomenon of broken coil was improved by changing annealing process.

Keywords:high intensity low pressure ultraviolet disinfection lamp;electrode;quality;construction design;production process

简 讯

上海第二工业大学获2017年上海市哲学社会科学规划一般课题立项

经专家评审、社会公示并经上海市哲学社会科学规划领导小组批准,上海第二工业大学马克思主义学院王永章副教授获得2017年上海市哲学社会科学规划一般课题立项。课题名称为唯物史观视域下智能革命与财富分配研究,资助经费50000元。

课题将运用马克思主义劳动价值论与唯物史观思想研究智能革命的“财富分配悖论”的本质根源、内在机理、演化形态及其破解路径。探索智能革命条件下中国特色社会主义经济建设新规律,并提出通过制度选择、理念引领、互补型产业建构、劳动者转型等路径,来破解“财富分配悖论”,使劳动者在“共创”中实现“共享”。

Quality Improvement for the Tungsten Electrodein High Intensity Low Pressure Ultraviolet Lamp

YAN Jiangang1,LUOJun2
(1．Engineering Training Center,Shanghai Polytechnic University,Shanghai201209,China;2.Shanghai Y&L lighting Co.,Ltd.,Shanghai201801,China)

TG 15

A

1001-4543(2017)03-0198-05

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.03.007

2017-04-26

严剑刚(1979–),男,上海人,硕士,高级工程师,主要研究方向为光源与照明。E-mail:jgyan@sspu.edu.cn。