Способ защиты многолампового излучателя света от термического разрушения

Изобретение относится к специальным областям электротехники, в частности к светотехнике, и может найти применение при разработке и конструировании осветительных систем и аппаратуры широкого назначения. Техническим эффектом изобретения является высокий ресурс работы излучателя, высокая суммарная энергия светового потока и большая площадь поверхности свечения в широком спектральном диапазоне. Объектом изобретения является способ защиты многолампового излучателя света решетчатого типа с шагом d установки ламп от термического разрушения путем предотвращения перегрева ламп. Новым является то, что перегрев предотвращают формированием в плоскости излучателя одновременно с основными токами I_л в лампах дополнительных токов I путем установки в одной плоскости с лампами излучателя и параллельно им компенсирующих токопроводящих устройств, расположенных с шагом d по краям излучателя на расстоянии d от крайних ламп, симметрично относительно его продольной оси, причем дополнительные токи I найдены из соотношения I=NI_л, где N - округленное до целого отношение L/d, L - минимальное расстояние между двумя отдельными лампами излучателя, при котором отсутствует пондеромоторное прилипание к стенкам лампы разряда с током I_л, a d - шаг установки ламп. При этом дополнительный ток выбирают однонаправленным с основным током. 6 ил.

 

Изобретение относится к специальным областям электротехники, в частности к светотехнике, и может найти применение при разработке и конструировании осветительных систем и аппаратуры широкого назначения, применяемой в системах биологической и химической очистки воды и воздуха, в фотолитографии, при светотехническом оформлении зрелищных мероприятий и рекламных объектов, при решении специальных прикладных задач.

Наиболее эффективно перечисленные задачи могут быть решены при использовании осветительных установок на базе мощных многоканальных широкоформатных решетчатых источников света. Под решетчатой конструкцией мы понимаем такую конструкцию излучателя, при которой трубчатые лампы расположены в одной плоскости параллельно друг другу с постоянным шагом установки d и имеют однонаправленные токи. При этом предпочтительно использовать в качестве излучателей отпаянные трубчатые газоразрядные лампы, обладающие более высокими эксплуатационными параметрами по сравнению с негерметичными трубчатыми излучателями и излучателями поверхностного разряда, а также технологичностью обслуживания.

Одним из основных требований, предъявляемых к таким осветительным установкам, является обеспечение высокой удельной плотности световой энергии на единицу поверхности одновременно с большой величиной площади светящейся поверхности.

При создании многоканальных решетчатых ламповых конструкций с однонаправленным током разработчики сталкиваются с серьезной проблемой отклонения канала разряда к стенкам в приэлектродных областях трубчатых ламп, установленных в одной плоскости, за счет действия пондеромоторных сил, приобретающих значительную величину в условиях высокой подводимой к излучателю мощности, достаточную для прилипания разрядного канала к стенкам колбы внутри соседних ламп, близких к краям многолампового излучателя. Результатом действия этих сил является оплавление кварцевых колб газоразрядных ламп в приэлектродных областях, сопровождающееся выделением из кварца примесей, осаждающихся на внутренних поверхностях ламп.

Все это приводит, во-первых, к резкому ограничению длительности цикла свечения ввиду возможности сквозного проплавления кварца и разгерметизации ламп при высоких уровнях подводимой мощности, во-вторых, к снижению мощности светового потока осевшими на стенки ламп примесями, в-третьих, к ограничению срока службы ламп из-за накапливающихся со временем нарушений структуры их стенок в приэлектродных областях в процессе их циклического местного перегрева.

Известен способ защиты от термического разрушения многолампового решетчатого излучателя света [Мощная импульсная облучательная установка, Ю.Г.Басов, B.C.Прокудин и др. Светотехника, 1990, № 8, с.10-12] путем предотвращения перегрева ламп посредством обеспечения конвективного воздушного теплообмена с окружающей средой за счет образования воздушных зазоров между отдельными лампами и зазоров между лампами и отражателем излучателя.

Этот способ не может обеспечить защиту от термического разрушения многолампового излучателя решетчатой конструкции с однонаправленными токами ламп при большой подводимой электрической мощности.

В качестве прототипа изобретения нами был выбран способ защиты от термического разрушения мощного лазерного излучателя света решетчатого типа [Патент РФ № 2108647, МПК H 01 S 3/03, приор. 25.06.96] путем предотвращения перегрева ламп принудительной прокачкой хладагента вдоль внешней поверхности их стенок и отвода избыточного тепла из зоны тепловыделения.

При реализации такого способа защиты подводимая к лампам электрическая мощность может быть существенно увеличена по сравнению с аналогом, однако дальнейшее ее наращивание ограничено местным перегревом стенок за счет пондеромоторного прилипания разряда. Кроме того, хладагентом поглощается часть световой энергии, что снижает световые параметры излучателя.

Предложенный нами способ защиты многолампового излучателя света от термического разрушения позволяет при его реализации обеспечить высокий ресурс работы излучателя, высокую суммарную энергию светового потока и большую площадь поверхности свечения в широком спектральном диапазоне.

Указанный результат достигнут тем, что в известном способе защиты многолампового, с шагом d установки ламп, излучателя света решетчатого типа от термического разрушения путем предотвращения перегрева ламп, перегрев предотвращают формированием в плоскости излучателя одновременно с основными токами I_л в лампах дополнительных токов I, распределяя их с шагом d от излучателя, симметрично относительно его продольной оси (в данном случае под продольной осью излучателя мы понимаем линию в плоскости излучателя, делящую его пополам и однонаправленную с токами ламп), и найденных из соотношения I=NI_л, где

N - округленное до целого отношение L/d, где

L - минимальное расстояние между двумя отдельными лампами излучателя, при котором отсутствует пондеромоторное прилипание к стенкам лампы разряда с током I_Л;

d - шаг установки ламп,

при этом дополнительный ток выбирают однонаправленным с основным током.

Величину шага d между лампами многолампового излучателя света задают из соображений обеспечения необходимой равномерности освещенности, известных из светотехники.

Нами было показано, что устранить явление прилипания разряда в лампах многоканального излучателя возможно компенсацией внутренних пондеромоторных сил внешними пондеромоторными силами с использованием выявленной нами закономерности, определяющей зависимость величины компенсирующего тока и его распределение в пространстве от величины границы прилипания.

На Фиг.1 приведена диаграмма, иллюстрирующая зависимость зоны прилипания разряда к стенкам лампы от величины тока, протекающего через лампу, и расстояния между лампами; по оси абсцисс отложено расстояние L в относительных единицах между двумя отдельными лампами излучателя, а по оси ординат - ток I в относительных единицах через лампу излучателя:

L_max, L_min - максимальное и минимальное расстояния между лампами соответственно;

I_max, I_min - максимальное и минимальное значения токов в лампах соответственно;

А, В, С, D, F - точки, ограничивающие зоны прилипания разряда в лампах.

На Фиг.2 приведены варианты схем распределения токов в многоламповой панели, работающей в соответствии с предложенным способом. На Фиг.2а и Фиг.2б показаны варианты схемы с разветвленным и неразветвленным дополнительным током соответственно, где суммарный ток I_Σ ламп, ток I одной лампы, шаг d установки ламп и дополнительных токопроводов, расстояние L_от до обратного токопровода компенсирующего устройства:

Л1÷Л4, Л11÷Л14 - номера ламп в 14-ти ламповом излучателе;

T₁÷T₈ - номера токопроводов в компенсирующих устройствах; стрелками показано направление протекания токов; пунктирными линиями обозначена центральная группа ламп излучателя.

На Фиг.3 показана фотография 14-лампового излучателя, работающего в соответствии с предложенным способом, где 1 - лампы типа ИФП-16/580, 2 - отражатели, 3 - компенсирующие устройства; l - ширина излучателя.

На Фиг.4 приведены фотографии разрядных каналов в лампах 14-канального излучателя с однонаправленными токами. На Фиг.4а показана фотография разрядных каналов для ламповой панели без компенсации внутренних пондеромоторных сил, а на Фиг.4б - для ламповой панели, в которой использован предложенный способ, где 4 - стенки ламп, 5 - катоды ламп, 6 - разряд внутри лампы.

Предложенный способ защиты от термического разрушения многоканального излучателя света осуществляется следующим образом. Для реализации способа формируют в двух отдельных трубчатых лампах излучателя токи I_л, величина которых соответствует максимальным значениям токов I_max, которые будут достигаться при работе устройства, и находят расстояние L между этими лампами, при котором отсутствует пондеромоторное прилипание разряда к стенкам ламп при таком токе. На диаграмме Фиг.1 показано, как зависит граница прилипания от величины тока в лампах. Здесь можно выделить две характерные области, одна из которых, область ABDF, характеризует набор параметров L и I, при котором реализуется режим с прилипанием, а другая область BCD - режим без прилипания. Здесь I_Л=I_max, a I_min соответствует току удержания разряда в лампе, то есть минимальному току лампы, при котором разряд еще не гаснет. В процессе работы излучателя ток в его лампах может принудительно изменяться в диапазоне от I_min до I_max в зависимости от решаемых задач, но произведенный выбор L=L_max обеспечит в дальнейшем отсутствие прилипания разряда к стенкам ламп во всем диапазоне изменения токов. Далее находят отношение L/d и округляют величину этого отношения до целого числа N. Одновременно с формированием основных токов ламп формируют дополнительные токи I, имеющие одинаковое направление с основными токами ламп и величину, равную I=NI_л. При этом дополнительные токи I, воздействующие посредством пондеромоторных сил на разряды в лампах, распределяют с шагом d от излучателя симметрично относительно его продольной оси.

Отметим, что в устройствах такого типа обязательно имеют место обратные токопроводы, расположение которых выбирают из соображений, известных из электротехники.

Сопоставим работу предложенного способа с прототипом, где воздействие на тепловую энергию ламп сводится к обеспечению теплосъема с их внешней поверхности за счет прокачки хладагента. Реализация способа-прототипа в излучателе с большой подводимой электрической (а соответственно, и тепловой) мощностью при однонаправленном токе в лампах не только не обеспечит защиту ламп от термического разрушения, но, напротив, усугубит ситуацию. Действительно, наращивая подводимую мощность за счет увеличения тока в лампах, в какой-то момент достигается такое значение тока, при котором для заданного шага установки ламп происходит пондеромоторное прилипание разряда к стенкам ламп в приэлектродных областях и, соответственно, их местный перегрев. При этом использование принудительного теплосъема с поверхности колбы ламп посредством прокачки хладагента приведет к увеличению температурного градиента на стенках колбы и, в наибольшей степени, в зоне прилипания разряда. Соответственно, еще до того как произойдет расплавление кварца в зоне прилипания, он растрескается под действием температурного градиента, в результате хладагент попадет в зону разряда, что приведет к взрывному разрушению колбы лампы.

По иному происходят процессы при использовании предложенного способа. В этом случае наращивание подводимой к излучателю мощности за счет увеличения тока в лампах сопровождается соответствующим увеличением дополнительных токов в компенсирующих устройствах. При этом выбор величины дополнительных токов и их пространственного распределения, проведенный на основе закономерностей, найденных нами при создании изобретения, обеспечивает полную компенсацию внутренних пондеромоторных сил излучателя. Тем самым исключается пондеромоторное прилипание разряда к стенкам ламп, отсутствует местная локализация тепловой мощности в их приэлектродных областях и обеспечивается ее равномерное распределение вдоль стенок ламп, что исключает местный перегрев, приводящий к термическому разрушению ламп.

Пример конкретного исполнения.

По заказу Минатома на нашем предприятии был изготовлен работающий в соответствии с предложенным способом 14-ламповый излучатель, фотография которого приведена на Фиг.3. Излучатель с шириной l=780 мм выполнен на базе ксеноновых газоразрядных ламп ИНП-16/580 (позиция 1), установленных в одной плоскости параллельно друг другу с шагом d=40 мм перед отражателями 2, представляющими собой шлифованный алюминиевый профиль. Исходя из максимальной величины тока лампы I_л=250 А, определяемой возможностями источника питания (тиристорный агрегат КТЭУ-4000), была установлена граница прилипания разряда L=150 мм путем видеосъемки разряда в приэлектродной области лампы при различных расстояниях между двумя отдельными лампами излучателя. Число N составило в этом случае N = округл. (150/40)=4. В первом варианте по краям излучателя на расстоянии 40 мм от крайних ламп были установлены в одной плоскости с лампами излучателя компенсирующие токопроводящие устройства, каждое из которых представляло собой 4 медных многожильных оголенных провода сечением 25 мм² каждый, установленные параллельно с лампами с шагом 40 мм друг от друга. По каждому из этих проводов одновременно с формированием токов 14-ти ламп, величина которых составляла по 250 А на лампу, был пропущен ток, равный 250 А, что обеспечивалось схемой соединений, приведенной на Фиг.2а. Таким образом, по каждому краю излучателя был распределен ток I=N*I_л=4*250=1000А. Во втором варианте реализации предложенного способа, которому соответствует приведенная на Фиг.3 фотография, по краям излучателя на расстоянии 40 мм от крайних ламп были установлены в одной плоскости с лампами излучателя компенсирующие токопроводящие устройства 3, каждое из которых представляло собой один медный многожильный оголенный провод сечением 80 мм². По каждому из компенсирующих токопроводящих устройств одновременно с формированием токов 14-ти ламп, величина которых составляла по 250 А на лампу, был пропущен ток, равный I=N*I_л=4*250=1000А, что обеспечивалось схемой соединений, приведенной на Фиг.2б. Таким образом, и в этом случае по каждому краю излучателя был распределен ток I=N*I_л=4*250=1000А. В обоих использованных вариантах каждый из проводов токопроводящих компенсирующих устройств был размещен в цилиндрической кварцевой рубашке одинакового диаметра с диаметром ламп излучателя, что, с одной стороны, позволило использовать элементы крепления этих проводов, идентичные элементам крепления ламп, а с другой стороны, препятствовало высоковольтному пробою по воздуху на провода компенсирующих устройств импульса поджига ламп. Подходы к решению таких технических проблем известны. Обратные токопроводы компенсирующих устройств, для исключения их влияния на распределение токов в лампах, располагались на расстоянии L_от=1 м от ближайших к ним ламп.

На Фиг.4 приведены фотографии разрядов в крайних лампах 14-ламповой панели, иллюстрирующие действие внешних пондеромоторных сил. Как видно на Фиг.4а, для ламповой панели без компенсации внутренних пондеромоторных сил разрядные каналы прижимаются к стенкам ламп в прикатодной области, что приводит к местному проплавлению кварцевых рубашек в лампах излучателя. В то же время фотография Фиг.4б иллюстрирует, как под действием внешних пондеромоторных сил обеспечивается равномерное распределение разрядных каналов внутри ламп за счет отжимания разряда от стенок ламп магнитным полем компенсирующего устройства. Естественно, что в этом случае устраняется точечный подвод тепловой энергии к колбе лампы, что препятствует ее разрушению.

Каждый из реализованных вариантов, обеспечивая надежную защиту ламп излучателя от термического разрушения, обладает теми или иными преимуществами. Так первый вариант предпочтителен в использовании в том случае, когда к установке не предъявляется требований, ограничивающих ее размеры. В этом случае за счет распределения компенсирующего тока по четырем ветвям с каждого края ламповой панели снижается удельная тепловая нагрузка на компенсирующее устройство, определяемая суммарным действием джоулева тепла и нагрева световым излучением. Соответственно, второй вариант лучше применять в условиях габаритных ограничений, поскольку он обеспечивает общее сокращение габаритов. Так в случае использованной нами 14-ламповой панели такое сокращение составило 40% по сравнению с первым вариантом.

Способ защиты многолампового, с шагом d установки ламп, излучателя света решетчатого типа от термического разрушения путем предотвращения перегрева ламп, отличающийся тем, что перегрев предотвращают формированием в плоскости излучателя одновременно с основными токами I_л в лампах дополнительных токов I путем установки в одной плоскости с лампами излучателя и параллельно им компенсирующих токопроводящих устройств, расположенных с шагом d по краям излучателя на расстоянии d от крайних ламп симметрично относительно его продольной оси, причем дополнительные токи I найдены из соотношения

I=NI_л,

где N - округленное до целого отношение L/d,

где L - минимальное расстояние между двумя отдельными лампами излучателя, при котором отсутствует пондеромоторное прилипание к стенкам лампы разряда с током I_л;

d - шаг установки ламп,

при этом дополнительный ток выбирают однонаправленным с основным током.