Введение к работе
Актуальность проблемы. Начало XXI века поставило сложную проблему перед учеными и инженерами, занятыми в сфере разработки источников света (ИС). С одной стороны, значительный рост цен на электроэнергию и материалы диктует необходимость создания новых их конструкций, позволяющих экономить ресурсы как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации, а, с другой стороны, существенно возросли требования к потребительским параметрам ИС для искусственного освещения: стабилизации светового потока, экономичности и увеличению долговечности.
Исходя из этого, в последние годы ведущие отечественные и зарубежные светотехнические фирмы заняты разработкой экономичных, компактных и экологичных ИС. Заметное внимание уделяется разработке компактных люминесцентных ламп, а также безэлектродных ламп на основе СВЧ-разряда. Первые обладают повышенной экономичностью, а вторые - долговечностью (по прогнозам - до 100 тысяч часов). Однако самыми массовыми лампами интенсивного освещения на сегодня и на весьма длительную перспективу останутся натриевые разрядные лампы высокого давления (ДНаТ), обладающие рядом уникальных достоинств: стабильно достигаемым коэффициентом светоотдачи в 150 Лм/Вт, долговечностью на уровне 20 тысяч часов, простотой конструкции, возможностью диммиро-вания, малым весом и габаритами. Являясь наиболее эффективными в настоящее время источниками искусственного освещения, они применяются для освещения складских помещений, автомагистралей и карьеров, парников и теплиц.
В мировой практике доля ламп типа ДНаТ превышает половину всех ИС наружного освещения и составляет почти 100% тепличного искусственного освещения. В связи с этим остается актуальным вопрос совершенствования этого типа ламп в части увеличения долговечности и снижения отрицательного воздействия на экологию, поскольку увеличение их срока службы приводит к уменьшению количества используемых ламп и, соответственно, - выбросов в окружающую среду вредных веществ при их утилизации.
Анализ процессов деградации параметров ламп ДНаТ позволяет утверждать, что самым слабым звеном в их конструкции является электрод. Повсеместно применяемый в настоящее время спиральный электрод практически не претерпел изменений с начала массового производства. Малая масса эмиссионного материала, ненадежное закрепление ее на электроде, особенно заметное в режиме термоциклов, приводит к отказам в зажигании из-за осыпания эмиссионного материала, а высокий уровень распыления, особенно в стадии разгорания лампы, ведет к значительному снижению светового потока вследствие запыления стенок горелки и невозможности достижения потенциальной долговечности, обеспечиваемой остальными конструктивными элементами.
В связи с этим, основная цель работы состоит в создании физико-технологических основ разработки и внедрении в производство унифицированного параметрического ряда электродов нового типа, что позволит принципиально улучшить качество ИС, снизить материальные и энергетические затраты при изготовлении и эксплуатации ламп. Следует особо подчеркнуть сложность решения поставленной задачи, обусловленной, с одной стороны, многочисленностью разнородных физических процессов взаимодействия плазмы тлеющего и дугового разрядов с композиционной поверхностью электрода, малым объемом газового на-
полнения в отпаянной горелке лампы, а, с другой стороны, практическим отсутствием комплексных теоретических исследований в данной области, обусловившим отсутствие инженерных методов расчета и контроля параметров электродов.
Научно-технические основы разработки электродов для газоразрядных ламп были заложены в работах Г.Н. Рохлина, В.И. Кристи, А.П. Коржавого, В.И. Моро-кова, Е.С. Савранской, В.В. Прасицкого, Р.И. Хабибулина, М.Р. Фишера и др. Из них следует, что одним из способов увеличения долговечности лампы при снижении ее себестоимости является применение спеченных электродов, обладающих набором характеристик, отсутствующих у серийно применяемых в мировой практике спиральных электродов с нанесенным на их поверхность микрослоем эмисси-онно-активного вещества. Среди потенциальных преимуществ спеченного электрода - увеличенное в 5-10 раз количество эмиссионно-активного вещества (ЭАВ), его объемное расположение, повышенная эмиссионная способность и более низкая рабочая температура.
Эксплуатационные параметры натриевых, как и других типов разрядных ламп, в значительной степени зависят от качества применяемых в их конструкции электродов. Учитывая этот практический факт, задача совершенствования конструкций и состава эмиссионного материала электродов остается постоянно актуальной.
Долговечность электродов определяется скоростью испарения бария, обеспечивающего эмиссионную способность, и устойчивостью ЭАВ к отравлению остаточными газами. К ЭАВ предъявляются следующие требования:
заданная скорость выделения активатора (бария), образующегося в результате взаимодействия с восстановителем;
малое количество выделяемых газов при обработке;
устойчивость параметров при нахождении на воздухе в процессе технологических операций изготовления.
В настоящее время различные производители при изготовлении электродов для разрядных ламп высокого давления в качестве ЭАВ применяют широкий спектр материалов: метацирконаты бария BaZr03, вольфраматы бария-иттрия BaOY203-W03, вольфраматы бария-кальция типа ВагСаШОб и др.
Метацирконаты нашли применение преимущественно в спиральных электродах ртутных ламп, выпускаемых отечественными производителями, реальная долговечность которых сейчас находится на уровне 3-5 тысяч часов.
Смеси вольфраматов бария-кальция и оксида иттрия, а также вольфрамата бария-кальция используют в своих спиральных электродах фирмы «Osram» и «Philips», массово производящих натриевые лампы высокого давления с ресурсом работы на уровне 20 - 24 тысяч часов.
Весьма высокими эмиссионными параметрами и достаточно высокой устойчивостью к внешним воздействиям обладает эмиссионный состав, содержащий алюминаты бария-кальция типа (3-х)ВаОхСаОА12Оз. Подобные ЭАВ применяются преимущественно при изготовлении пропитанных (импрегнированных) катодов. Попытки использовать указанный состав в качестве ЭАВ для электродов дуговых источников освещения не дали положительных результатов.
Физико-технологические основы разработки термоэлектронных композиционных электродов на основе новых материалов для натриевых ламп высокого давления пока не сформулированы. Устранение этого пробела и является основной целью настоящей работы. 2
Для достижения поставленной цели предложены и решены следующие задачи. Исходя из анализа литературных источников, требований разработчиков разрядных ламп, существующего мирового уровня выпускаемой продукции и требований к его повышению, установлено, что электроды должны обеспечивать следующие параметры:
изменение величины светового потока в течение времени эксплуатации лампы - не более 20%;
ресурс работы - не менее 28 тысяч часов;
увеличение ресурса работы в циклическом режиме частых включений в 2-3 раза.
Поскольку основные характеристики спеченных электродов формируются в процессе их изготовления и на начальной стадии тренировки ламп, определение закономерностей, связывающих основные параметры электродов с характеристиками условий их изготовления, применительно к реальным конструкциям и режимам работы их в лампах, явилось первой задачей работы.
Вторая задача - разработка рациональных конструкций электродов, учитывающих условия их эксплуатации при радиационном воздействии плазмы дугового разряда разных мощностей.
И третья задача - испытание спеченных электродов в составе натриевых ламп высокого давления с последующим анализом полученных результатов.
Научная новизна работы. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые получены следующие результаты:
разработан метод определения применимости различных эмиссионно-активных материалов для электродов осветительных ламп;
разработан оптимальный состав ЭАВ для электродов натриевых ламп высокого давления;
определены параметры процессов изготовления ЭАВ, обеспечивающие его заданный фазовый состав;
определены параметры процессов изготовления электродов, обеспечивающие сохранение заданного фазового состава ЭАВ;
установлено, что массовая доля ЭАВ (BaAl204:Ba2CaW06) в составе материала спеченной части электрода, обеспечивающая заданные эмиссионные свойства, должна находиться в пределах 12-15%;
определено, что оптимальные тепловые режимы электрода обеспечиваются при уровне теплопроводности материала X = 84-105 Вт-м" К" ;
исследованы и испытаны натриевые разрядные лампы высокого давления, изготовленные с применением разработанных электродов в составе осветительных систем и устройств.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что созданы новые оригинальные средства исследования и испытания спеченных термоэмиссионных электродов на основе соединений вольфрама, кальция, бария и алюминия для дуговых разрядных натриевых ламп высокого давления и разработана технология их изготовления.
Применение разработанных электродов позволило:
увеличить средний ресурс работы ламп с 18000 часов до 30000 часов;
повысить величину светового потока на 7-8%;
- уменьшить расход дорогостоящих вольфрамовых материалов.
Результаты работы внедрены в производство.
Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы могут быть использованы в Национальном исследовательском Мордовском государственном университете имени Н.Р. Огарева, г. Саранск, в ОАО «Лисма», г. Саранск, на Дятьковском заводе газоразрядных приборов, г. Дятьково Брянской области.
Достоверность результатов диссертационной работы и их обоснованность подтверждается достаточно хорошим совпадением данных, полученных в процессе экспериментальных исследований и численных расчетов, их соответствием известным физическим явлениям, а также успешным опытом применения созданных спеченных электродов в массовом выпуске натриевых разрядных ламп высокого давления.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты исследований зависимости эмиссионных параметров от условий изготовления ЭАВ.
-
Результаты исследований зависимости параметров ЭАВ от условий изготовления электрода на основе соединений W.
-
Оптимальный состав ЭАВ для электродов натриевых ламп высокого давления.
-
Конкретные конструкции электродов для разрядных ламп высокого давления с заданными параметрами.
-
Результаты испытаний натриевых ламп высокого давления с разработанными спеченными термоэлектродами.
Личный вклад автора состоит в разработке оригинальных методов исследований, проведении исследований спеченных электродов в составе ламп ДНаТ, разработке технологических приемов изготовления эмиссионно-активного вещества и собственно термоэлектродов, в постановке экспериментальных работ, обработке, анализе и интерпретации результатов исследований.
Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на Межнациональных конференциях и семинарах, в том числе: XX Международном совещания «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 5 июля - 10 июля 2010 г.), XL Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 25 мая 2010г.), третьей Всероссийской Школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва, 2010г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗЕ», (Москва, 2011г.), Региональной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Москва, 2013 г.).
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в производство параметрического ряда натриевых ламп высокого давления ООО «Калужские лампы» и фирмы «Yamao» (КНР).
Публикации. Основные результаты, полученные в работе, отражены в 9 печатных трудах, в том числе 3 в журнале из Перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Её общий объем составляет 104 страницы, включая 35 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 109 наименований.
