автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Расчет, исследование и разработка конструкции и промышленной технологии изготовления безртутных натриевых ламп высокого давления малой мощности

ХАРКІВСЬКИЙ ІНСТИТУТ ІНЖЕНЕРІВ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

_ _ л _ На правах рукопису

: і Ь ОД

колоднии

Микола Петрович

РОЗРАХУНОК, ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ ТА ПРОМИСЛОВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ БЕЗРТУТНИХ НАТРІЄВИХ ЛАМП ВИСОКОГО ТИСКУ МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ

Спеціальність 05.09.07 — Світлотехніка і джерела світла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ХАРКІВ — 1994

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі світлотехніки і джерел світла Харківського інституту міського господарства і в Українському науково-дослідному інституті джерел світла (УНДІДС) (м. Полтава).

Науковий керівник — доктор технічних наук, професор Наміто-

ков Кемаль Кадирович.

Науковий консультант — кандидат технічних наук Кожушко Гри-

горій Мефодійович.

Офіційні опоненти — доктор технічних наук, професор Красно-

польський Олександр Євгенович;

— кандидат технічних наук, доцент Гаврилов Павло Васильович.

Ведуче підприємство — ДЕРЖАВНИИ ЗАВОД ГАЗОРОЗРЯД-

НИХ ЛАМ1П МІНМАШПРОМУ УКРАЇНИ (м. Полтава).

Захист відбудеться « ___________________________ 1994 р,

і Ь'-і'Р '

о ' > годині на засіданні Спеціалізованої Ради К 068.51.01 Харківського інституту інженерів міського господарства по спеціальності 05.09.07 — «Світлотехніка і джерела світла». 310002, м. Харків-2, вул. Революції, 12.

Вчений секретар /

Спеціалізованої Ради К 068.51.01 / /

кандидат технічних наук '

Актуальність роботи. Еа н&лого часу практично всі високоефективні джерела світла з різними спектральними характеристиками зипромінювання, які застосовуються з метою загального та спеціального освітлення, такі як люмінесцентні лампи, лампи типу ДРЛ, ДНА, Д?1, використовують в ролі основної випромінюючої і' допоміжної речовини високотоксичну ртуть. Кількість ртуті в одному джерелі с зі тла знаходиться в межах від 20 до 150 мг. У випадку руйнування ламп ртуть попадоз у навколишня середовище. З зв'язку з тим, гцо чиста ртуть хімічно слабо активна, практично не пов’язується водою і розчиненими з ній солями, а, крім того, легко випаровується вже при І8-20°С, місце зруйнування ламп звичайно на довгий час став джерелом забруднення навколишнього середовища.

На жаль,роботи по енологізаиії світлотехнічної галузі тільки почали проводитись в останні роки і вони торкались в основному вирішення завдання по створенню установок утилізації відходів. Відсутній комплексний підхід до оцінки правильного напрямку розвитку джерел світла в країні, коли за основний критерій приймаються тільки ресурсні) техніко-економічні обмеження. В цей же час є теоретичні передумови розробки високоеі|ективних .джерел світла без використання ртуті.

До .джерел світла, які використовують ртуть у вигляді амальгами натрію, налетать і натрієві лампи високого.тиску /НЛВТ/.

В нинішній час вони, будучи одним із найбільш ефективних типів джерел світла, мають багато перевпг перед іншими джерелами світла

- високу світлову віддачу і строк служби, підвищену стабільність світлотехнічних характеристик та надійність, а також компактність /висока питома потужність, що дуже важливо з точки зору економії матеріалів і електроенергії/ - і тому знаходять все більше застосування як з освітлювальних установках загального освітлення /в . основному, зовнішнього/, так і в спеціальних опромінюючих системах. '

Широкі можливості - в плані розширення сфери використання НЛВТ - відкриває відмова зіц використання ртуті в наповненні і поліпшенні якості кольоропередачі натрієвих ламп. *

Хоча за останні 10-15 років НЛЕГ зазнали значного удосконалення, необхідно ві.цмитити, ідо застосування ШВГ для внутрішнього освітлення стримується, в першу чергу, невисокими колірними параметрами, випромінювання. Відмова від використання ртуті в наповненні НЛВГ, викликана екологічними вимогами та підвищення вимог до колірних характеристик ламп, примушує при розробці вищезгаданих ламп враховувати ряд специфічних вимог і ставить додаткові завдання при конструюванні ламп.

Для успішного вирішення всього комплексу питань по безртут-ним малопотужнім ШВГ з поліпшеною кольоропередачею необхідно провести теоретико-розрахункові дослідження з метою уточнення фізики процесів, ідо мають місце у позитивному стовпі розряду ' безртутної ЩВТ, а також прикладні дослі дження з використанням теоретичних результатів з метою розробки конструкції і технології виробництва серії безртугних натрієвих ламп високого тиску.

Мета розробки полягає в проведенні комплексу теоретико-роз-рахункових досліджень, спрямованих на створення математичної моделі безртутної натрієвої лампи високого тиску з поліпшеними колірними характеристиками, її конструкції і технології виготовлення.

Для досягнення вказаної мети необхідно:

- запропонувати науково-технічні обгрунтування та виявити , ■ фактори, що дозволяють розробити конструкцію, і технологію виго- ' ’ товлення безртутної натрієвої лампи високого тиску /БНЛВГ/ - . лампи з високими колірними характеристиками;

- розробити математичну модель безртутного натрієвого розряду /ВИР/;

- створити масив даних з теплофізичних та оптичних впасти-

восте« безртутної натрієвої плазми: коефіцієнті в злектропровід-ності, теплопровідності, оптичного поглинання, напедених в залежності від температури, тиску, та довжини хвилі; О .

* - провести комплекс розрахункових досліджень, спрямованих . на вибір конструкції пальників БНЛВГ, роду та тиску інертного газу, наповнюючого пальник, і вияснити вплив експлуатаційних умов та конструктивних особливостей БНЛВГ;

■ - розробити методику та обладнання для експериментальної

перевірки точності розробленої математичної моделі БНР;

- по запропонованих методиках обгрунтувати інженерні про-позииії і,розробити конструкцію і технологів виготовлення БНЛВГ.

Об’єктом досліджень були варіанти БШВГ з пальниками із моно- і полікрксталічного окису алюмінію, що відрізнялись конструктивним виконанням та складом наповнення.

ГЛетодика досліджень полягала в вимірюванні світлових, колірних , спектральних, електричних характеристик БНЛВГ різних конструкцій і вимірювань теплових режимів робЬти пальників БНЛВГ; застосуванні ЕОМ для багатоваріантних розрахунків пара-мегрів ламп, розподілу температури по перерізу розряду в залеж-

• ності. від підводжуваної потужності, газового наповнення та його тиску.

Наукову новизну визначають подані в роботі:

- математична модель безртутного натрієвого розряду;

- масив даних з теплофізичних та оптичних характеристик безртутної натрієвої плазми;

- методика і результати комплексного дослідження електритг-них, світлових і колірних параметрів БНЛВГ;

- узагальнені результати експериментально-розрахункових

досліджень ряду параметрів, здебільшого визначаючих ефективність БНЛВГ. .

Практичну цінність робот и визначають:

- результати експериментального дослідження по вибору оптимальної конструкції БЮІВТ з температурними режимами роботи оболонки пальників, що не виходять за межі аналогічних режимів роботи стандартних НЛВГ;

- розроблений стенд для моделювання безртутних натрієвих розрядів і методика проведення експерименту на ньому;

- розроблена конструкція та промислова технологія виготовлення БНЛЗТ,' прийняті до впровадження на Полтавському Дзржавному заводу ГРЛ; виробничому об’єднанні "Лісма" м.Саранськ, Томському електроламповому заводі.

с -

'Апробація результатів роботи. Основні положении дисертації' та окремі її розділи доповідались і обговорювались на Всесоюзному науково-технічному симпозіумі по газорозрядних джерелах світла /м.Полтава, жовтень 1991 р./, на Міжнародному семінарі "МЗІ-Світлотехиікг-1992" /м.Москва, січень 1992 р./, на Світлотехнічній конференції з міжнародною участю /Санкт-Петербург,

14-21 червня 1993 р./. '

Публікації. З матеріалів дисертації опубліковано 8 друкованих робіт, в тому числі І авторське свідоцтво і 2 позитивних рішення на видачу авторського свідоцтва.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається .із вступу, чоторьох глав і висновків, викладених на 140 сторінках машинописного тексту, списку літератури із 153 найменувань, на 15 сторінках 67 ілюстрацій на 53 стор-інках, а також 4 додатків на ЗІ сторінці.

ЗМІСТ РОБОТИ ■ .

Вступ показує актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи; перелічені наукові положення і прикладні рішення, винесені на захист, а також коротко відображено основний вміст роботи.

В першій главі - "Аналіз літературних даних і постановка задач роботи" - розглянуто положення робіт, присвячених теоретичним і експериментальним оцінкам параметрів і ефективності БНЛЗТ, різним способам покращення їх світлових, електричних, спектральних і колірних характеристик, сформульовані задачі роботи.

Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень процесів в натрієвому розряді, на електродах і в приелектроцних областях, робіт пов’язаних з розрахунком і експериментальної) перевіркою енергетичного балансу потужності, світлової ефекі і> ності , градієнта потенціалу стовпа розряцут НИ ВТ, конструкції розрядної трубки . /РТ/, проведених Г.М.Рохліним, В.З.Меркушкіним, її.Де Прутом, Д.УеІімаусом, Х.Акуиу, Н.Озакі, Д.Ловке, Д.Вашінком, Й.ван Злсетом та ін. показали, що недостатньо добре вивчено цілий ряд питань, маючих велике наукове і прикладне значення, які торкаються пера . за все кількісних залежностей температури розряду і балансу потужності для натрій-ксеноново^с розряду в трубках малої о ді гм--

тиску натрію і ксенону .для безртутних розрядів.

Відмова від використання ртуті в наповненні ВІВГ малої потужності і підвищення вимог до колірних характеристик ставить додаткові завдання під час конструювання ламп. В першу чергу вони пов’язані з необхідністю забезпечення високих градієнтів потенціалу стовпа розряду, які дозволяють експлуатувати лампи в стандартних схемах ввімкнення і збереження високої ефективності, а також пошук оптимальної конструкції лампи, що має високі колірні характеристи ки і надійність в експлуатації.

. Численними дослідженнями встановлено, що збільшувати градієнт потенціалу в натрієво-ртутно-ксеноновому розряді можливо за рахунок застосування розрядних трубок малого діаметру, а підвищувати ефективність і кольоропередаючі властивості - застосуванням газу ксенону з підвищеним тиском /300-350 мм.рт.ст. в холодному стані/.

Однак, характер 'зміни світлової ефективності при переході до РТ з малим внутрішнім діаметром неоднозначний, лоскільки при цьому відбувається зміна температури розряду, ґіого оптичної щільності, питомої потужності і т. ін., вплив яких на світлову ефективність різний. В той те час застосування РТ з малим внутрішнім діаметром приводить до - значного підвищення напруги перезапалавання лампа. Використання ксенону високого тиску у якості буферного газу знижує напругу перезапалювання лампи, але веде до збільшення пробійної напруги запалювання лампи. Такім чином, критичний аналіз існуючих теоретичних і експериментальних робіт, присвячених дослідженню розрядів в парах натрію, та існуючих конструкцій і технологій виготовлення ЮІЗТ, а такоя сукупність біолог, до безртутних натрієвій Ламп показав, що .для розробки конструкції і технології виготовлення безртутних ШВТ необхідна розробка математичної моделі безртугної Натрієвої лампи, створення масиву даних з теплофізичних і оптичних властивостей натрієвої плазми з наступним розрахунком електрофізичних і випромінювальних характеристик безртутних натрієвих розрядів Високого тиску, і додаткові експериментальні дослідження, що дозволяють одержати основні групи залежностей: зв’язок градієнта потенціалу з температурою холодної зони для різних діаметрів РТ; залежність електричних, світлових і колірних характеристик від тиску і . конструкції розрядної трубки.

На основі проведеного аналізу сформульовані задачі,.дисертаційної роботи.

Друга глава - "Математичне моделювання характеристик натрієвих ламп високого тиску" - присвячена аналізу основних методів математичного моделювання характеристик НЯВГ, оцінці факторів, впливаючих на відхилення від локальної термодинамічної рівноваги . /ЛТР/ в плазмі безртутного натрієвого розряду, побудуванню математичної моделі безртутного натрієвого розряду ВГ та створенню масиву даних з теплофізичних і оптичних властивостей плазми.

Сформульовані і розлянугі основні вимоги, що пред’являються до математичної моделі безртугного натрієвого розряду: побудова' адекватної математичної моделі розряду, оболонки і електродних вузлів, визначення термодинамічних, оптичних і транспортних властивостей плазмоутворюючого середовища, створення ефективних чис-■лових алгоритмів, реалізуючих модель. ■

Аналіз існуючих математичних моделей НЛЗГ, показав, що практично всі вони описують розряд в межах наближення ЛТР. Згідно з оцінками по критеріях фіма в центральних областях натрієвих дуг при тиску натрію вище 60 мм.рт.ст. допущення про існування ЛТР цілком правомірне. •

Дня застосування моделі ЛТР до безртугного натрієвого розряду високого тиску /НРВГ/ найбільш суттєве виконання двох критеріїв: це критерій вирівнювання температур електронів і важкої компоненти плазми /іони і атоми/ і критерій установлення розподілу Саха- , Еольїиана. : , /

Проведені оцінювальні розрахунки показали: що відхилення від' ЛТР в розряді пов’язані, як правило, з впливом холодної стінки, проявляючись у вигляді відриву електронної температури від температури атомів і іонів, і можуть спостерігатися в достатньо протяжній по радіусу області. В той як час оцінки по відхиленню від ЛТР, пов’язані з протіканням струму і виходом випромінювання, повністю підтверджують правомірність застосування принципу ЛТР до безртугного НРВГ. .

В основу побудування математичної моделі БНіЧ?Г був покладений стаціонарний розряд в рамках наближення ЛТР в одномірній постановці»-Відповідна система рівнянь включала рівняння збереження енергії, переносу випромінювання, закону 0>іа з відповідними умовами:

£ -£:[ґзє(гр)£!і] + ¿(Т,Р)Ег- </.>/> -о /І/

¿¡У?* = Си>) с/; /4/

АА

Є

£ - 1 /гкі <$ (т, р)ґ с/г (і

/5/

при г-о. р17^~о, -о /6/

с/г </Г • ' '

т* т„, и^~ АШАі±і*±_ ш к*.(4~ $*) <*/'

п/

де: Л - поточний радіус;

Я - внутрішній радіус РГ;

Т, Р температура і робочий тиск плазми;

Ая,е5, ** - коефіцієнти оптичного поглинання електро-

і теплопровідності плазмоутворюючого сере' ' довища;

£ - напруженість електричного поля;

Рл Р - щільність спектрального і інтегрального по’ току променевої енергії; .

1/ц,Ц,р - об’ємна щільність енергії випромінювання і функції Планка рівноважного випромінювання;

■ 4, - спектральний коефіцієнт відбивання випромі-

’ нювання від зовнішньої межі розряду;

• Ти - температура плазми біля поверхні стінки.

В розрахунках по вище приведеній моделі /1-7/ перенесення випромінювання розглядалось в .діапазоні спектру 200-5000 нм., були ураховані лінії натрію, як резонансні, так і лінії, утворені переходами між збудженими станами, враховувалось рекомбінаційне випромінювання на всі рівні і гальмівне випромінювання в полях атомів і іонів, враховувалось відбите від поверхні оболонки власне випромінювання. ■ '

Система рівнянь /1-7/ розв’язувалась методом кінцевих різниць. Застосовувались неявні двошарові консервативні однорідні рівничні схеми. Різничні аналоги рівнянь і рубіжних умов одержувались інтчг-ро-інтерполяиійним методом, система ріяничних рівнянь вирішувалась методом прогонки. •

Термодинамічні розрахунки складу плпзми проводились при з рибних робочому тиску' сумі лі нзтрій-ксенон, температурі і співвідношенні компонентів. Коефіцієнт електропрозітюсті плазМи визначився

за правилом суміші, запропонованому Фростом. При розрахунку коефіцієнта теплопровідності плазми враховувались процеси переносу тепла електронами, іонами і атомами, а також внаслідок рекомбінації іонів і іонізації атомів.

Спектральний розподіл коефіцієнта оптичного поглинання розра^ ховувався з врахуванням ліній також і безперервного спектру. Враховувалось 50 ліній атому натрію, утворених переходами між рівнями і 4 резонансні лінії ксенону; розташовані в ультрафіолетовій області. Певне число ліній поблизу порогів фотоіонізації включались в рахунок інтегрально через зсув порога.

Розрахунок коефіцієнта оптичного поглинання в безперервному фотоіонізаиійному спектрі проводився безпосереднім підсумовуванням по рівнях енергії добутків перерізі в фотоіонізації і ві дповідних заселенностей енергетичних рівнів атому натрію. При розрахунках коефіцієнта оптичного поглинання в лініях враховувались чотири механізмі уширення: штарківський, резонансний, вандерваальсі вський і доплерівський.

. Розрахунок штаркі вського уширення проводився по нестаціонарній теорії Сабельмана-Вайнштейна, уважаючою, ідо електрони і іони рухаються по прямолінійних траєкторіях і їх дія на атом змальовується залежними від часу потенціалами І/ / і /, а розподіл інтенсивності по лініях визначається методами узагальненого гармонічного аналізу. .

Резонансне уширення розраховувалось по теорії ударного механізму з коректуванням формул в відповідності з даними експериментів.

Вандерваальсівське уширення розраховувалось по даним Гріма.

Величина ймовірності переходу для більшості ліній розраховувалась через силу лінії. Сила лінії обчислювалась в одноконфігураиій-ному наближенні в умовах застосовуванності векторної моделі атому і наводилась у вигляді добутку приведеної сили лінії і сили одно-електронкого мультиплету. Розрахунок цих спі вмножникй виконувався за методикою Рака із застосуванням Дулонівського наближення в модифікованому варіанті.

а В безперервному спектрі ■ враховувалось фотоіонізаиійне і зворотне гальмівне поглинання. В підсумковий коефіцієнт поглинання /К_д '/ вюючались також складові, зумовлені фотові.дривом і молекулярними смужками.

В третій гларі - "Розрахункове експериментальне дослідження характеристик натрієвих розрядів високого тиску" проведені розрахунки коефіцієнтів тепло і електропровідності, коефіцієнта оптичного поглинання. Одержані розрахункові дані утворили масив даних, який дозволив розрахувати температурні профілі розряду і вихідні характеристики безртутного КРВГ, вольт-ампер ні характеристики, спектральний розподіл випромінювання, світлову віддачу. .

Результати розрахунку коефіцієнтів теплопровідності і електропровідності були одержані в робочому діапазоні тиску парів натрію від ЄО до 200 мм.рт.ст. і робочих тисках ксенону і криптону від 50 до 4000 мм.рт.ст. для температурного інтервалу І000...6000 К, при ньому співвідношення атомів і іонів в розрахунках розряду вважалось постійним по радіусу.

Обчислення показали, що із збільшенням тиску інертного газу електропровідність натрій-ксенонової і натрій-криптонової суміші падає, при чому у випадку ксенону вплив тиску сильніший, ніж в варіанті з криптоном. ' *"

При зміні тиску ксенону на порядок електровідність при типовій осьовій температурі То=4500°К змінюється приблизно на 20%.

Такий же рівень змінення мав і напруженість електричного поля при фіксованому струмі.

Коефіцієнт електропровідності суміші натрій-криптон вищий ніж відповідний коефіцієнт суміші натрій-ксенон, при інших рівних умовах на 40-60/5. Ця обставина вирішальним чином впливає на ефективність розрядів. —

Спектральний розподіл коефіцієнту оптичного поглинання Нлроз-< раховувався в тих же діапазонах тисків компонентів температур плазми, що і коефіцієнти тепло- і електропровідності. Інгервад довжин хвиль складав 200...5000 нм. При всіх тиоках і температурах чітко спосгерігаетьеч лінійчаста структура спектру,

З області 2‘іО нм чітко видно континуум, зумовдений фотоіонізацією основного рівня, У вершинах резонансних ліній коефіцієнт Кл досягає величин порядку 10 сч"*, Зелика кількість ліній має коефіцієнт К,\ ' у центрі на рівні 5, ,,Ю0 ом"*,

При всіх досліджених параметрах плазми бевперервний фон виявився підносно слабким, його значении зрротаа в ультрафіолет товій та інфрачервоніП областях спектру. Я першій сут<в.і фото??

іонізаційні континууми, в другій - гальмівні і континуум, зумовлений фотовідривом.

Із збільшенням температури і тиску наповнюючого газу КЛ різко зростає.

Наявність пакету ліній з помітним коефіцієнтом поглинання поза видимим діапазоном спектру дозволяє в практичному аспекті розглянути проблему підвищення ефективності натрєвих ламп за рахунок активної фільтрації випромінення в УФ та ІЧ-обдастях спектру, коефіцієнт відбивання вицромінення на межі розряду можно забезпечити за рахунок застосування, наприклад, інтерференційних покрить.

Температурні профілі у розряді з натрій-ксеноновим наповненням досліджувались в діапазоні внутрішніх радіусів розрядних трубок /РТ/ від 0,85 мм до 1,9 мм, тисків пару натрія та інерт*-ного газу 60.. .2000 мм.рт.ст. і ЗО...4000 мм.рт.ст., відповідно. Вибрані значення струмів забезпечували питому електричну потужність від 5 до 40 Вг на см.

Розрахунки показали, що осьова температура розряду знаходиться в діапазоні 3500...4500 К. Профілі температур досить пологі. Із збільшенням тиску інертного газу при фіксованому струмі температури на осі збільшуються. Розряди у натрій-криптоновій суміші при даному струмі і внутрішньому діаметрі РТ відбуваються при більш низькій температурі ніж у натрій-ксеноновій, хоча відмінність в температурних профілях невелика.

З ростом струму крутизна профілю температур зростав І з’являється все більш чітко окреслена центральна частина. Ця обставина, особливо помітна при переході до малих діаметрів РТ, може відбитися на результатах знаходження розміру світного тіла, виз-начаємого як значення змінного радіуса стовпа розряду, при якому має місце визначений у порівнянні з осьовими значениями рівень спаду .інтенсивності випромінюючої властивості плазми. Вказаний ефект характерний як для ксенонового, так і для криптонового буферу. .

За знайденими температурними полями у плазмі обчислювалися вихідні характеристики розряду: вольт-амперні характеристики, спектри випромінення, світлова віддача.

Вольт-амперні характеристики безртутного НРВТ мають вигляд спадаючих кривих при фіксованому тиску пару натрія.

Градієнт потенціалу зростає при зменшенні діаметру розрядної трубки. Зі збільшенням тиску ксенону градієнт потеншалу помітно збільшується на початковій ділянці залежності, а потім настає насичення, причому тим раніше, чим більший радіус розрядної трубки і питоме навантаження.

Спектральні розподіли випромінення знайдені . иляхом обчислень, показують, що ріст тиску натрію супроводжується зрос-танняи відстані між пакетами самообєрненої лінії Ж /¿Л /. При цьому виявляється, що лЛ слабко залежить від температурного поля у розряді /а значить, і струму/, і основним впливаючим фактором виступає тиск натрію, і помітно меншую мірою тиск ксенону. . .

В області спектру розряду 300...700 нм роль безперервного фону незначна. Безперервна складова спектру росте із збільшенням струму і тиску натрію. ’

Знайдені спектральні розподіли випромінення служать вихідною інформацією для подальших обчислень світлових херактеристип ламп і енергетичного балансу розряду.

Обчислення енергетичного балансу показують, що частка випромінення в загальному енергетичному балансі росте іп збільшенням електричної потужності, внутрішнього радіусу розрядної трубки і збільшенням тиску ксенону, причому в залежності від останнього має місие насичення в районі робочих тисків близько 2200 KU.pr.tff, Світлова віддача також зростає при збільшенні діаметра РТ і тиску ксенону. Світлова віддача знижується по мірі переходу від ксенону до криптону, а потім до аргону при всіх дослідинюс тисках і радіусах РТ.

Метою експериментальних досліджень'було виявлення залагноет< основних електричних параметрів і світових характеристик БНР /потужність лампи, напруга на лампі, струм лампи, світловий по в діапазоні довжин хвиль 380-760 нм, колірна температура та індекс кольоропередачі/ від конструктивних параметрів РТ /внут* рішнього діаметру РТ, міжелектродної зі деталі, заелектродної відстані, роду і тиску наповнюючого газу/.

Дія проведення експериментальних досліджень буяй розроблені та виготовлені чотири варіанти експериментальних зразків РТ. Д>в варіанти призначались для дослідження залежностей електричних пе»

раметрів /потужність, напруга, струм/ і світлотехнічних характеристик, світловий потік, спектральний склад випромінення від внутрішнього діаметру розрядної трубки РТ і міжелектродної відстані. При цьому рід і тиск наповнюючого газу в межах кожного окремого експерименту залишалися незмінними. У якості оболонки Сйикорис'іФаувалася РГ із полі кристалічного окису алюмінію. Третій варіант призначався для досліджень залежностей електричних параметрів і світлотехнічних характеристик від роду і тиску буферного газу і перів натрію. При цьому внутрішній діаметр РГ і довжина розрядного проміжку в межах кожного окремого експерименту залишалися незмінними. Четвертий варіант призначався для проведення різного роду спектральних досліджень фізичних характеристик плазми ВНР. Основною відмінністю від поперідніх варіантів було те, що РТ була виготовлена із монокристалічного окису аліо-мінію, причому внутрішня поверхня була спеціально оброблена з метою усунення огранки і зниження спотворювання при дослідженні параметрів плазми в радіальному напрямку.

Дія проведення досліджень перших двох варіантів РГ була виготовлена установка для вимірювання параметрів РГ безртутних ШНГ при зміненні температури холодної зони РТ. Основнимеле-ментсм вказаної установки була розбірна скляна колба з вакуумними шліфами і герметичними'вводами, що забезпечувала розміщення РТ всередині колби і під’еднання до РТ живлючих струмових вводів і термопарних датчиків. Вакуумний блок забезпечував у внутрішньому об’ємі колби потрібну ступінь вакууму /5.10" мм.рт.ст./. Блок вимірювання електричних параметрів РГ дозволяв виконувати виведення досліджуваної РТ на заданий режим роботи і реєстрацію ос-новігих електричних параметрів. Біок регулювання і контроля температури холодної зони НГ призначався для управління температурою холодної зони за допомогою о^окусованого теплового випромінення низковольтної, але потужної галогенної лампи розжарювання.

Дія проведення досліджень залежності електричних параметрів і світлового потоку від роду і тиску наповнюючого газу і від тисг ку парів натрію був створений стенд для моделювання БНР. Огенд дозволив змінювати на одному зразку РТ одночасно тиск парів натрію, буферного газу, род буферного газу, температурних режимів РТ. Причому у цропесі його проектування особлива увага спрямовувалася на забезпечення можливості коректного визначення тиску парів нат-

рію і буферного газу в об’ємі РГ в будь-яких режимах з метою прив’язки цих параметрів до визначаємих у експерименті її світлових характеристик. Основним функціональним елементом степну була спеціальна система,призначена для заповнення РТ натрієм і інертним газом. Вказана система дозволяла при приєднанні РТ виготовленої по третьому варіанту моделювати різні режими роботи без- ' ртутної ШВГ, змінюючи як рід і тиск наповнюючого газу, так і тиск парів натрію - основного випромінюючого елементу. Проведені дослідження на стенді, з використанням макетів пальників з внутрішнім діаметром РГ 2,4 мм дозволили отримати масив даних по залежності світлового потоку, уширення натрієвого .дуплету, напруги.на . РТ, струму РТ, температури у центрі РТ і тиску буферного газу ксенону і тиску парів натрію.

Опрацювання експериментальних даних дозволило отримати серію кількісних залежностей характеристик розряду від основних його параметрів, а саме: _

- залежність світлової віддачі БНЛВТ від міжелектродної від-.стані, внутрішнього діаметру РТ, тиску буферного газу при фіксованому значенні тиску парів натрію і від тиску парів натрію при фіксованому значенні тиску буферного газу;

- залежність ширини області самообернення Д-лінії натрію і ксенону;

- залежність градієнта потенціалу і напруги на лампі від під-

воджуваної потужності, міжелектродної відстані, внутрішнього діаметра РГ, тиску ксенону,, тиску парів натрію; ‘ ,

- залежність форми напруги на лампі від внутрішнього діаметра

РТ. ' \

Дані, що були; отримані .¿дозволяють, з одного боку, визгачити ' оптимальні умови БНР для ламп з малим О утрішнім діаметром /«У,*2,1-3,7 нм/ в діапазоні потужності /30*70 Вг/, а а ішого боку виявити певні закономірності змінення основних хараіг лристкк БНРВГілалої потужності. ' ' .

Світлова віддача. Для усіх обстетених нами умов по мірі вбіль-шення температури холодної зони /збільшення тиску парів натрія/ світлова відцача стовпа розряду швидко зростає, досягає максимуму і потім починає падати /мал.Іа/. Положення максимуму дяя тисну кса** нону вії' 0,38 до 5,05 атм-в робочому стані відповідав температур«* холодної зони 690-770°С, причому з ростом тиску ксенону положення максимуму зміщується у бік мешшх температур.

Залежність світлової відцачі від тиску ксенону, отримана на зразках з різним тиском парів натрію вгц 25 до 250 мм.рт.ст. /мал.Іб/, являє собою криві з пологим максимумом в районі тисків ксенону від 3 до 4 атм, отже 'збільшення тиску ксенону вище 4 атм /380 мм. рт.ст. в холодному стані/ не ефективне з точки зору підвищення світлово'^ відцачі стовпа розряду. Максимальне значення світлової віддачі відповідає тиску парів натрію від 100 до 150 мм.рт.ст.

АН/6г

80

70

&}

50

W

ЗО

У

/S-\ 7 У >-Д

t '/А А

/

2J - с

У Рл = 7<? Ьт

id '

Лм/&7

80

7Q

60

SO

40

ЗО

so т /so т ії*,

ммрт. ст. °) "

& ^1

j W

J/t X -•а

m /

2// / Я *% Sr

/П

4і Р

^Хе.огм

5)-

Мал. І. Залежність світлової віддачі безртутних НЛВГ відтиску

парів Натрію при фіксованому тискові ксенона і від тиску

ксенону при фіксованому тискові парів натрію.

а/ Рл : І - 0,38 атм; 2 - 1,57 атм; 3 - 2,47 атм;

4 - 4,36 атм; 5 - 5,05 атм.

*V« ! І ~ 25 мм.рт.ст.; 2-60 мм.рт.ст.; 3 - 100 мм.рт.ст.;

4 - 180 мм.рт.ст.; 5 - 250 мм.рт.ст.

Приведена на /мал.2/ залежність світлової віддачі БШІВТ від внутрішнього діаметру РГ і міжелектродної відстані підтверджує той факт, що світлова віддача залежить в основному від питомого навантаження і ментор мірою від внутрішнього діаметру РТ.

Ширина області самообернення / / є важливою характерис-

тикою випромінення розряду, яка дозволяє судити про типк парів натрію і, таким чином, оцінювати відповідність теплового режиму РГ оптимальнім значенням.

Аналіз отриманих експериментальних даних дозволив зробити висновок про те, що основний вклад в уширення Д-лінії у спектрі випромінення натрію вносить тиск парів натрію і відносно невеликий вклад - тиск ксенону.

Отримані залежності напруги на лампі / 1/А / від тиску парів натрію, тиску ксенону, міжелект; 'Дної відстані і внутрішнього діаметру РГ показали, що 1/4 зростає із збільшенням тиску натряс

і ксенону, міжелектродної відстані і зменшенням внутрішнього діаметру РТ при постійній потужності, причому змінення у найбільшому степені залежить від тиску парів натрію /мал.З/.

лм

н,

70

60

50

40

ЗР

" п *

я V

XV >

3

\

А *

ил

- с/вн,мм

Мал.2 Залежність світлової

4

■ і їд"

—*х - %

із

■ дачі безртутнИх ШВТ від внутрішнього діаметру РГ і міжелектродної відстані

1 " і = ЗІ мм, й, .-70 Вг

2 - р , = ЗІ мм, Рл » 50 Вг

3 - Єн , в 50 мм І Рл = 70 Вг

4 - ^ = 50 мм, Рл ■» 50 Вг

від- Мал.З Залежність напру]-; на лампі

від міжелектродної відстані , і внутрішнього діаметру ЇТ

1 - 2,1 мм, Ря - ТО Ве

2 - сі, - 2,4 мы, Ря - 70 Вг

3 - ж 2,75 мм, Йг * 2?

4- % - ЗІ?*; йі - ТО Вг

В четвертій главі - "Розробка конструкції і технології виробництва серії безртутних ШВТ малої потужності. Впровадження результатів роботи" - запропонована і обгрунтована конструкція безртут-них НПВГ малої потужності, зроблений вибір оптимального режиму роботи лампи, визначені геометричні розміри РГ, конструкція електродів, метОиїокєрвм^ших вузлів /МКВ/, зовнішньої лампи і монтажу; розроблений технологічний процес виготовлення основних деталей, складаючих в кінцевому підсумку, малопотужні безртутні НЛВТ: керамічних і металевих деталей, заварювальних матеріалів, єміттерв, технологічний, процес виготовлення РТ і складання ламп.

, При розробці газорозрядних ламп заданої потужності виникає питання про визначення можливих меж і вибір оптимального співвідношення струму і напруги на лампі. Проведені експериментальні дослідження електричних характеристик безртутних НЯВТ і РТ малого діаметру з різними значеннями міжелектродних відстаней дозволили зробити висновок про те, що оптимальні значення струму і напруги на лампі, що забезпечують максимум світлової віддачі, .для ламп потужністю 35 Вг, працюючих'з напівпровідниковим пускорегулюючим апаратом, складають відповідно 0,6 А і.■ 60*65 В, для ламп потужністю 50 Вг - 0,75 А і 70*75 В, длп ламп потужністю 70 Вг - 0,9 А і 80*85 В. .

При конструюванні РГ ми виходили із досягнення оптимального теплового режиму її роботи, якім визначаються температурні і меха- . нічні напруги, що виникають в кераміці. Оптимальне значення внутрішнього діметра РТ / ^і =2,4 ш/ було визначзно, з одного боку,

із умови одержання максимального значення світлової віддачі, а з Іншого боку, щоб воно було трохи бідьше діаметра електрода. Тоэ-щина стінки РТ / сГ / з урахуванням конструктивних міркувань і технологічних можливостей була вибрана такою, ¡цо дорівнює 0,7 мм дая усіх розроблюваних потужностей.

Надійність МКВ визначається конструкцією спаю, а також технологіє» її виготовлення. Нами була викорйотвно б розробці конструкції МКЗ сгеряиевого типу у вигляді керамічної втулки,по закриває торець РТ, з ніобієвим .дротом по осі. Вакуумно-щільне '

З'єднання кераміки з ніобієм проводилося за допомогою високо-‘геиперптурних склоцементі в.

В якості зовнішньої оболонки для беэртугних НЯВТ були використані ніяка гребінчастого типу і колба із скла платинітової групи типу С-97. РГ монтувалася на ніжці за допомогоі підтримок,

8 фіксатор кріпився безпэсередньо на прямий подовжений вивід ніжки, що знижувало матеріалоємність лампи і дозволяло автоматизувати технологічні операції монтаку. '

Виробництво малопотужних беэртугних НЛВТ включає в себе різноманітні технологічні процеси і комплекс обладнання для їх реалізації. Одним з найбільш важливих елементів НЯВТ е поліко-рова трубка, що визначав не тільки світлові характеристики лаип, але і весь рівень технології їх виготовлення. Однією з необхідних умов отримання якісної прозорої полікорової кераміки є використання особливо чистого оксиду алюмінію вельми тонко подрібненого до розмірів часток 0,І<0,5 мкм. При виготовленні беэртугних НЛВТ полікорова трубка формувалася методом екструзії через філье-ри певних розмірів, висушувалася і піддавалась відновнувальному випалу при температурі І850І870°С у водні.

Для отримання вакуумщільного і міцного з’єднання полікорової кераміки з деталями монтажу із ніобію застосовувався заваро-впльниЯ матеріал системи -СаО-ВаО-Е^Од, якиЯ після от-

римання заварювальних кілець методом пресування мав температуру плавлення І340І380°С. ■

У якості емісіонного матеріалу застосовувалася сполука Л МОь , технологія виготовлення якої нині використовується при промисловому виробництві стандартних НЛВТ.

Нині у світовій . практиці виробництва НЯВТ застосовуються два способи відкачування і наповнення РТ: з використанням відкоч-ного штенгеля і без нього. При конструюванні беэртугних НЛВТ була вибрана безштенгельна конструкція, як '^'льш проста і така, 40 дозволяо використовувати однакову конструкцій МКВ з обох ніішіп РГ. Безштенгельний спосіб виготовлення припускає наявність цгох принципово однакових технологічних операцій: пайка першого кіназ РТ в інертному середовищі /аргоні/ і, після дозування в РТ нсзрїо у вигляді твердої частки, пайка другого кіния. Причому пвійа другого кінця РГ суміщалася з відкачуванням і наповненням РР исзнспсгл до тиску 350 мм.рт.ст. при температурі 500°С. .

Завершується глава даними, що характеризують питання використання результатів роботи, а також перевагу і перспективність розроблених екологічно-чистих джерел оптичного зипроміненнч.

. вповні результати і висновки з роботи

1. Створена математична модель і програмний комплекс, що дозволяє ставити широкомасштабний розрахунковий експеримент, що адекватно відбиває реальну фізичну ситуацію безртутного натрієвого розряду. 9 основу математичної моделі був покладений стаціонарний розряд у рамках наближення ЛТР в одномірній постановці.

2. На грунті аналізу результатів теоретичних досліджень

і математичного моделювання безртутного натрієвого розряду високого тиску визначені основні чинники, що випливають на формування ефективного і стійкого розряду високого тиску в парах натрію в суміші з інертним газом.

' 3. Створений масив даних з теплофізичних і оптичних власти-

востей безртутної натрієвої плазми: коефіцієнтів електропровідності, теплопровідності, оптичного поглинання, наданих в залежності від температури, тиску, і довжини хвилі.

4. Методами математичного моделювання проведені дослідження вплив/ геометричних, ел'ектричнйх, енергетичних і фізичних параметрів ламп на їх основні характеристики. Показано, що вар’їругач^ тиском компонент, розмірами розрядної трубки, електричним режиме^ і родом газу - буферу, можно вибрати оптимальний варіант кон-струкиії і наповнення лампи, що дозволяє розглядати безртутну натрієву лампу як перспеїгивне’ джерело освітлення, що за.цовіль-няе вимогам охорони оточуючого середовища.

б. Розроблений і виготовлений універсальний -стенд для моделювання безртутних натрієвих розрядів і розроблена методика проведення на ньому досліджень електричних і світлових характеристик, що дозволило отримати серію кількісних залежностей характеристик розряду від його основних параметрів. '

6. Цроведені дослідження електричних і світлових характеристик безртутного натрій-ксенонового розряду у вузьких керамічних РТ /внутрішній діаметр від 2,1 мм цо 3,? мм/ при різних значеннях

міжелектродних відстаней: діючих значень напруги, струму, потуж-' ності світлового потоку, спектрального розподілу випромінення, колірної температури, загального індексу кольоропередачі. Дзслід-жено змінення иих характеристик від тиску наповнюючого газу ксенону і тиску парів натрію в робочому режимі. '

■ 7. Встановлено, що основний вклад в діюче значення напруги

/градієнта потенціалу/ і потужності чинить змінення тиску парів натрію, причому в області значень від 10 до 200 мм.рт.ст., в той же час як змінення тиску ксенону в широкому діапазоні від 50 до . 500 мм.рт.ст. мало, впливає на змінення вказаних параметрів; максимальне значення світлової віддачі відповідає тиску парів натріо від 100 до 150 мм.рт.ст., а збільшення тиску ксенону більш ніж до 380 мм.рт.ст. не ес[ективне з точки зору підвищення світлової віддачі. .

8. Грунтуючись на результатах теоретичних і експериментальних розвідок розроблена конструкція і промислова технологія виготовлення безртутних НЯЗГ потужність 35,50,70 Вг; результати випробувань ламп показали, що з начальних електричних і світлових параметрів вони відповідають рівню ламп кращих закордонних фірм.

Основний зміст дисертації викладений в таких публікаціях: .

1. Колодный Н.П. Результаты исследований по создаю» эффек-

тивных безртутних натриевых ламп высокого давления // Тезисы ДОН» ладов Всесоюзного научно-технического симпозиума по гаэораэряд-ным источникам света. Полтава, сентябрь, 1991, С.72. .

2. Гладов В.М., Гавриш С.В., Колодный Н.П. Математические модели и исследование натриевых ламп высокого давления с ртутнш

и беэртугньм наполнением // Международный семинар "МЭИ - Светотехника - 1992". Москва, январь 1992. Тези'у докладов. М.: МЭИ, 1992, С.24.

3. Колодный Н.П., Антонов A.A., Гурьянов И.В. Огенд К • моделирования безртутних натриевых разрядов высокого давления /V Труды

I Международной светотехнической конференции. Санкт-Петербург,

Июнь 1993. С.47.

4. Кожушко V.H., Колодный Н.П., Гурьянов И.З. Еезртутные натриевые лампы высокого давления малой мощности // Груды I Международной светотехнической кон^ерениии. Санкт-Петербург.

Июнь 1993. C.I6.

. 5. бурьянов И.З., Кожушко Г.М., Колодный Н.П. О разработке В'езртугных натриевых ламп высокого давления // Светотехника № 5-6. 1993. С.12-13.

6. Л.С. № I780I25 /СССР/ Натриевая лампа высокого давления /Г.М.Кожушко, Н.П.Колодный, И.В.Гурьянов, опуСл. 07.12.1992 Бад. № 45.

7. Кожушко Г.М., Колодный Н.П., ГУрьянов И.В., Громова С.Н. Токоввод в горелку натриевой лампы высокого давченип. Положи-тел'.чое решение ВНИИГПЭ от 13.08.91 г. на выдачу патента России по заявке 4898652/07 /ІІ55І7/ от 4.12.90 г.

_■ 8. Кожушко Г.М., Гурьянов И.В., Колодный Н.П., Громова С.Н.

Горелка натриевой лампы высокого дамения. Положительное решение ВНИИГПЭ от 13.04.92 г. на выдачу патента России по заявке № 5024836/07 /І0476І/ от 29.01.1992с.

ВИДАВНИЦТВО «ПОЛТАВА». ЗАМ, 2503. ТНР, liHJ,