Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы создания особо долговечных электродов для разрядных осветительных ламп высокого давления 10
1.1. Общие сведения о физических процессах в газоразрядных лампах высокого давления 10
1.1.1. Зажигание тлеющего разряда 13
1.1.2. Зажигание дугового разряда 16
1.1.3. Разряд в установившемся режиме 18
1.2. Тлеющий разряд в отпаянных приборах 18
1.3. Дуговой разряд в отпаянных приборах 22
1.4. Современные разрядные осветительные лампы высокого давления 22
1.5. Электроды, применяемые в лампах высокого давления 25
1.5.1. Спиральные электроды 26
1.5.2. Спеченные электроды 31
2. Моделирование процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой 38
2.1. Моделирование нафева электродов бомбардирующим его потоком частиц, обуславливающего переход тлеющего разряда в дуговой 38
2.2. Расчет тепловых режимов электродов в плазме дугового разряда 44
3. Исследование динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой и определение оптимаьной конструкции спеченного электрода 53
3.1. Метод исследования динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой 53
3.2. Установка для измерения теплопроводности материала электрода 58
3.3. Комплексная установка для измерения тепловых и электрических параметров системы электрод—плазма 60
3.4. Исследование зависимости распределения температуры по поверхности электрода от его геометрии и величины разрядного тока 62
3.5. Исследование динамических характеристик процессов взаимодействия спеченных электродов с разрядной плазмой 72
3.5.1. Исследование переходного режима 72
3.5.2. Выход на рабочий режим 77
3.6. Исследование переноса вещества электродов в ртутных лампах высокого давления 77
3.7. Оптимизация геометрической формы спеченного электрода 86
4. Исследование параметров газоразрядных ламп ДРЛ соспеченными электродами 95
4.1. Типовые испытания 95
4.2. Определение оптимального времени технологической тренировки го- --"" релок 100
4.3. Исследование возможности использования одного ограничителя тока при использовании спеченных электродов 101
4.4. Исследование процесса изготовления ламп со спеченными электродами 104
4.5. Исследование положительных факторов использования у потребителей 107
4.5.1. Увеличение продолжительности горения ламп 107
4.5.2. Повышение стабильности светового потока в процессе срока службы ламп 107
4.5.3. Снижение чувствительности газоразрядных ламп к перегрузкам по напряжению питающей сети и по потребляемой мощности 108
Заключение. Основные результаты и выводы 111
- Тлеющий разряд в отпаянных приборах
- Расчет тепловых режимов электродов в плазме дугового разряда
- Исследование зависимости распределения температуры по поверхности электрода от его геометрии и величины разрядного тока
- Исследование возможности использования одного ограничителя тока при использовании спеченных электродов
Введение к работе
Одним из важнейших условий существования человеческой цивилизации является наличие света во всех его разновидностях. С развитием человечества все более значимой становится роль искусственного освещения, без которого практически невозможно современное промышленное производство, научные исследования, высокоэффективное сельское хозяйство.
После использования в качестве искусственных источников света открытого пламени, наиболее массово применяемыми стали лампы накаливания. Однако их низкий коэффициент полезного действия, находящийся на уровне 5%, при постоянном удорожании электроэнергии сделал применение ламп этого типа чрезвычайно неэффективным.
В 1920-1930 годах было открыто, что при определенных условиях газовый разряд в парах ртути позволяет до 60% электроэнергии преобразовывать в световую, и в 1940 году стали производиться первые газоразрядные лампы.
На сегодняшний день эти лампы занимают самое важное место среди источников искусственного освещения. В экономически развитых странах мира на их долю приходится более 80% светового потока.
По данным ассоциации «Российский свет» на период начала нового тысячелетия сложилась следующая ситуация с использованием газоразрядных ламп в народном хозяйстве России: люминесцентные лампы высокого давления используются в количестве 55-60 млн.шт. в год или на сумму 650-700 млн. руб.; компактные люминесцентные лампы низкого давления в количестве порядка 500 тыс. шт. в год или на сумму около 15 млн. руб.; газоразрядные лампы высокого давления типа ДРЛ в количестве около 10 млн. или на сумму порядка 1200 млн. руб.;
Таким образом, газоразрядные лампы высокого давления типа ДРЛ занимают наряду с широко используемыми в промышленности и быту люминес- центными лампами низкого давления приоритетное место среди используемых в России источников света.
Однако, несмотря на пятидесятилетнюю историю существования, в лампах ДРЛ используются первоначальные конструкции и элементная база. При этом ряд параметров, таких как ресурс работы, спад светового потока, напряжение зажигания, устойчивость к перегрузкам по мощности существенно отстают от современных требований. Причина отставания объясняется недостаточной изученностью совокупности взаимосвязанных физических процессов, протекающих при работе ламп высокого давления. Так, например, расчет электродов - базовых элементов ламп, определяющих практически все перечисленные параметры, производился в соответствии с эмпирической схемой, предложенной Г.М. Рохлиным еще в 1966 году. Причем расчет такого сложного элемента производится на основании единственного параметра - диаметра вольфрамовой проволоки, из которой изготовляется керн. Такой же упрощенный подход использовался и при разработке других элементов ламп.
В связи с этим, центральное место в создании осветительных ламп высокого давления с параметрами, отвечающими современным требованиям, является разработка способов нахождение оптимальных электрофизических параметров электродов, а также их конкретных конструкций и методов изготовления.
Актуальность работы. Научно-технические задачи совершенствования существующих и разработки новых эффективных разрядных ламп высокого давления непрерывно связаны с исследованиями и разработкой электродов, обеспечивающих заданный уровень потребительских параметров ламп. В связи с этим очевидна актуальность проведения исследований, комплексно описывающих физические процессы, происходящие в электроде и на его поверхности в результате взаимодействия с газоразрядной плазмой ламп высокого давления. При этом следует отметить, что в мировой литературе отсутствуют работы, посвященные созданию принципиально новых видов электродов.
Поэтому представленная работа, опирающаяся на многолетний опыт разработки и серийного выпуска самых разных типов электродов и посвященная
7 исследованию и разработке особо долговечных спеченных электродов для массовых осветительных ламп высокой интенсивности является важной и актуальной.
Основные научные цели работы: проведение комплекса исследований физических характеристик электродов; разработка методик исследований и исследовательского оборудования; определение возможности повышения долговечности электродов путем оптимизации элементного состава и конструкции; разработка конкретных конструкций долговечных электродов; разработка способов оптимизации характеристик электродов в составе разрядных ламп.
Научная новизна полученных результатов. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые получены следующие результаты: впервые разработаны спеченные электроды для осветительных ламп высокого давления с ртутным наполнением; разработана методика исследования системы электорд-горелка и установка для ее реализации; определены закономерности, выражающие взаимосвязь основных физических параметров спеченных электродов (распределения температуры, теплопроводности, массы, геометрии поверхности) с характеристиками осветительных ламп; определена оптимальная геометрическая форма спеченных электродов; найдены возможности восстановления эмиссионных свойств электродов, смонтированных в горелке разрядной лампы, в случае нарушения технологического режима ее изготовления; определена взаимосвязь параметров электрода и разрядной плазмы на стадии перехода тлеющего разряда в дуговой.
Практическая ценность работы. Результатом проведенных исследований явилось создание нового класса электродов для газоразрядных ламп высокой
8 интенсивности. При этом разработаны: - параметрический ряд спеченных электродов для ламп типа ДРЛ; -основные операции, обеспечивающие возможность серийного промыш ленного изготовления спеченных электродов;
Результаты работы внедрены в производство параметрического ряда газоразрядных ламп высокого давления типов ДРЛ12ПН, ДРЛ250ПН и ДРЛ400ПН (ПН - повышенной надежности), выпускаемых согласно требованиям ГОСТ и в соответствии с ТУ крупнейшими производителями газоразрядных ламп высокой интенсивности в Российской Федерации - ОАО «Лисма» и АО «МЭЛЗ».
Разработка и освоение производства газоразрядных ламп со спеченными электродами позволили: уменьшить себестоимость изготовления ламп за счет снижения цены спеченного электрода по сравнению со спиральным электродом, а также устранения ряда операций технологического процесса: увеличить среднюю продолжительность горения ламп с 12000 часов до 18000 часов: повысить средний световой поток в процессе срока службы на 20 -26%; уменьшить чувствительность ламп типа ДРЛ к перегрузкам по мощности, а также по напряжению питающей сети; уменьшить расход электрической энергии при изготовлении ламп за счет уменьшения времени тренировки горелок и ламп; исключить из конструкции ламп типа ДРЛ один из двух дорогостоящих и дефицитных ограничителей тока:
В 2000 году газоразрядные лампы высокого давления со спеченными электродами на престижной выставке «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века» последовательно награждены золотым, платиновым и бриллиантовым знаками этой выставки, а также выиграли конкурс «100 лучших товаров России» и получили диплом лауреата.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту. 1. Разработанные спеченные электроды для осветительных разрядных ламп
9 высокой интенсивности с ртутным наполнением, обладающие повышенной в 1,5 раза долговечностью по сравнению со спиральными.
Метод и результаты исследования динамических параметров процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой горелки.
Результаты исследования тепловых режимов электродов в горелке, обусловленных конструктивными особенностями электродов и их физическими параметрами.
Результаты исследования конструктивных параметров и оптимальную геометрическую форму спеченных электродов для ламп ДРЛ.
Результаты исследований параметров разрядных осветительных ламп с ртутным наполнением, обусловленных применением разработанных спеченных электродов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на десяти Всесоюзных и международных симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзном семинаре «Вторичная ионная и ион - фотонная эмиссия», г.Харьков, 1988г., Всесоюзном совещании - семинаре «Диагностика поверхности ионными пучками», г. Одесса, 1990г., Всероссийской научно - технической конференции «Использование научно - технических достижений в демонстрационном эксперименте и постановке лабораторных практикумов», г. Саранск, 1994г., IV и VIII Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 1994, 1998гг., Всероссийской научно - технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и изготовления сложных технических систем и технологических процессов», г. Калуга, 1994г., XXVIII Международной конференции «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами», г, Москва, 1998г., IX межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 1999г., 14 международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Москва МГУ, 2000г., X Всероссийской конференции по физике газового разряда, г. Рязань, 2000г.
Тлеющий разряд в отпаянных приборах
После перехода разряда в лампе в дуговой режим, характеризующийся разрядным током в несколько ампер, начинается разогрев колбы до температуры порядка 1000 градусов. При этом происходит испарение ртути, находящейся при комнатной температуре в конденсированном состоянии. В результате за время в несколько минут происходит увеличение давления газовой смеси до одной атмосферы, т.е. в 50-100 раз. В конце этой фазы разряд происходит практически в парах ртути, поскольку содержание аргона в образующейся смеси не превосходит нескольких процентов. При этом разряд на поверхности катода стягивается в пятно диаметром порядка миллиметра, которое обычно смещается на верхний торец керна. Эмитируемые катодом и образующиеся при ионизации атомов электроны возбуждают атомы ртути, которые отдают энергию преимущественно в виде ультрафиолетового излучения, преобразуемого в излучение видимого диапазона люминофором, нанесенным на внешнюю оболочку лампы. Вследствие высокой температуры электрода происходит испарение эмиссионно-активного вещества с его поверхности. Это вещество частично возвращается на поверхность электрода, приводя к его перенапылению, а частично оседает на стенках колбы, уменьшая ее прозрачность. Эти недостаточно изученные пока процессы в значительной мере определяют долговечность ламп. Во время работы прибора на поверхности электрода (в тлеющем разряде он выполняет функции катода, поэтому в данном разделе электрод будет называться катодом) и в прикатодной области происходят сложные физико-химические процессы [26-33], схематически изображенные рис. Тлеющий разряд возникает при приложении разности потенциалов между катодом и анодом. Его отличительным признаком является наличие катодного темного пространства, простирающегося на расстоянии dk от поверхности катода. Самоподдержание тлеющего разряда происходит в результате эмиссии электронов из холодного катода. Эмиттированные электроны, двигаясь по направлению к аноду, ионизируют атомы газа. Этот процесс, происходящий в прикатодной области, характеризуется коэффициентом ионизации а, равным числу ионизации, которое один электрон в среднем производит за 1 см пути, двигаясь вдоль направления электрического поля Е. При этом а сильно зависит от величины Е. Следствием такой зависимости является существование сильного электрического поля в прикатодной области.
Это поле создается катодным падением напряжения UKn. на расстоянии dK от катода. Помимо ионизации, электроны производят также возбуждение атомов газа. Ионы, как и электроны, могут участвовать в столкновениях с атомами газа. Из всех процессов, происходящих при таких столкновениях, наиболее существенным является резонансная перезарядка иона на атоме того же элемент. В результате такой перезарядки электрон переходит от атома к иону без изменения суммарной кинетической энергии частиц, т.е. образуется быстрый атом и медленный ион. Длина свободного пробега иона до перезарядки составляет А.п. Под действием поля ионы двигаются, ускоряясь, по направлению к катоду. Образованные в результате резонансной перезарядки быстрые атомы также двигаются по направлению к катоду. Помимо ионов и быстрых атомов на катод поступают из разряда метаста-бильные атомы и излучение. Суммарное их воздействие обусловливает электронную эмиссию, характеризующуюся коэффициентом эмиссии у - количеством электронов, выбитых одной падающей частицей. При бомбардировке поверхности катода ионами и быстрыми атомами кроме эмиссии электронов происходит еще и процесс распыления катода, характеризующийся коэффициентом распыления Y, равным среднему числу ато- мов, удаляемых с поверхности одной падающей частицей. Распыленные атомы распространяются в область разряда и адсорбируются на деталях прибора. При этом распыленные атомы захватывают атомы газа и "замуровывают" их в адсорбированных пленках. Давление газа уменьшается (происходит "жестчение" газа) [34-39]. Наряду с процессом распыления существуют сопутствующие ему сложные процессы: перенос распыленного вещества в разрядном объеме, поглощение и обратное выделение катодом рабочего газа, не связанное с распылением. Как уже отмечалось, распыленные атомы, адсорбируясь на деталях прибора, поглощают рабочий газ. Однако не все покинувшие катод атомы участвуют в этом процессе. Часть покидающих катод распыленных атомов, в зависимости от рельефа поверхности, может попадать на выступающие его участки (пере-пыление), остальные движутся в рабочем газе, испытывая непрерывное торможение. Происходит релаксация их энергии до величины, равной средней тепловой энергии атомов газа — так называемая термализация. Движение термализо-ванных атомов является хаотическим. При ионной бомбардировке во время работы прибора происходит поглощение ионов материалом катода. Этот процесс сопровождается обратным выделением газа. В начальный момент поглощение превалирует над выделением. При насыщении катода внедренными ионами устанавливается динамическое равновесие - число поглощенных ионов становится равным числу выделяющихся атомов.
Ресурс работы электрода, работающего в режиме холодного катода, определяется временем поддержания его эмиссионной способности на уровне, обеспечивающем заданные параметры напряжения возникновения разряда в горелке лампы и перехода разряда в дугу. В результате сделанного анализа процессов можно заключить, что ухудшение этих параметров может происходить при снижении общего давления газовой смеси, уменьшении эмиссии электронов, "гашении" излучающих уровней молекулярными примесными газами (Н2 02 и др.). Процессы в дуговом разряде отличаются большой сложностью и разнообразием [40,41]. Их комплексное изучение представляется особо важным, поскольку именно дуговой разряд является рабочим состоянием лампы. Его характеристики определяют, в конечном итоге, выходные параметры лампы как осветительного прибора: световой поток, светоотдачу, потребляемую мощность и, в значительной степени, долговечность. В процессе горения дугового разряда происходит разогрев электрода, обусловливающий диффузию эмиссионно-активного вещества к поверхности, испарение ртути в область разряда, а также испарение материала электрода. При этом могут изменяться эмиссионные параметры электрода и состав газовой среды. Диффузное распространение испаренного материала к стенкам колбы и осаждение на них приводит к снижению прозрачности колбы, что, в свою очередь, может повлечь за собой спад светового потока и перегрев колбы. Как следует из такой самой общей картины процессов, первоочередными задачами при разработке осветительных ламп высокого давления и электродов для них является исследование температурных режимов электродов в процессе эксплуатации ламп, заэлектродных зон горелок а также нахождение материалов, обладающих оптимальными характеристиками при этих режимах. 1.4. Современные разрядные осветительные лампы высокого давления Одним из самых массовых типов осветительных разрядных ламп высокого давления являются лампы ДРЛ [42-47] - дуговые ртутные с люминофо- ром. Принципиальная конструкция газоразрядных ламп высокого давления типа ДРЛ показана на рис. 1.6. Лампа содержит кварцевую горелку (1) с герметично установленными в каждом из двух ее концов электродами (2). Кроме указанных элементов лампа включает в себя колбу (3) из тугоплавкого стекла с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем люминофора (4), ножку с токовводами (6), посредством которых осуществляется подача напряжения на кварцевую разрядную трубку, а также цоколь лампы (7), на центральный контакт и боковую поверхность которого подается питающее напряжение. Резисторы (5) и (8) предназначены для ограничения тока и обеспечения предварительного тлеющего разряда между основными и вспомогательными электродами, после которого возникает дуговой разряд между основными электродами. Световые характеристики ламп типа ДРЛ, в том числе и наиболее важные — световой поток и световая отдача - зависят от физических свойств люминофора и давления ртутного пара, устанавливающегося в горелке.
Расчет тепловых режимов электродов в плазме дугового разряда
Эмиссия электронов, необходимых для поддержания разряда в дуговых лампах высокого давления, имеет термическую природу, поэтому она существенно зависит от распределения температуры по поверхности электрода, которое определяется процессами его бомбардировки ионами, ускоряемыми в при-электродном слое плазмы, и теплопередачи. В реальных условиях имеет место также теплопередача через газ и соединение электрода с колбой прибора. Расчет теплового баланса электродов проводился в ряде работ [2,8,89, 90]. В работе построена двумерная модель тепловых процессов в объеме цилиндрической осесимметричной разрядной колбы с электродом, состоящим из вольфрамового керна, на который напрессована в виде цилиндра спеченная масса из смеси порошка вольфрама и эмиссионного вещества, содержащего оксиды щелочных и редкоземельных металлов (рис. 2.3, рис.2.4). Распределение температуры Т в объеме разрядной колбы описывается нестационарным уравнением теплопроводностиВ рабочем режиме дуга контактирует лишь с верхним торцом керна электрода, который в разряде постоянного тока выполняет функции катода. Следовательно, плотность теплового потока, поступающего на катод вследствие его бомбардировки потоком ионов из плазмы дуги, отлична от нуля только на верхнем торце керна и равна jj(Uc + Ui)i где Jt - плотность ионного тока, Uc - катодное падение потенциала дугового разряда, ut - потенциал ионизации газа, наполняющего лампу. Разогретый торец керна эмиттирует электроны, что приводит к уносу энергии из электрода. Плотность потока тепла, связанная с этим процессом, равна jeyct где Je — плотность электронного тока, (рс — работа выхода поверхности. Электрод также теряет тепло за счет излучения с части его поверхности, контактирующей с газом. Соответствующая плотность теплового потока определяется выражением хстТ"4, где а — постоянная Стефана-Больцмана, х — излучательная способность поверхности. Таким образом, граничное условие на верхнем торце керна электрода определяется соотношением а на части его поверхности, контактирующей с газом, дп где п — нормаль к поверхности. Соотношения (2.15) — (2.17) определяют краевую задачу для нелинейного уравнения эллиптического типа с разрывным коэффициентом теплопроводности и граничными условиями первого и второго рода. Для ее численного решения строится равномерная сетка в цилиндрической системе координат с шагами в направлении осей гиг, равными соответственно А г и Az. На ней записывается неявная конечно-разностная схема для уравнения (2.15) с использованием метода переменных направлений. Аппроксимация нелинейностей производится итерационно на основе линеаризации по методу Ньютона.
Установившееся распределение температуры в разрядном объеме находится путем проведения последовательных шагов по времени до достижения стационарного состояния. Изложенная методика позволяет рассчитать распределение температуры и перенос тепла во всем объеме разрядной колбы, в которую помещен электрод, найти вклад различных механизмов отвода тепла от электрода, бомбардируемого потоком ионов, а также зависимость температуры в месте спая электрода с колбой от разрядного тока, что представляет интерес с точки зрения выбора оптимальных режимов разряда и конструкции электрода. Рассчитанные распределения температуры вдоль оси симметрии колбы и в радиальном направлении вдоль z = I приведены на рис. 2.5 и рис.2.6. Расчеты производились для колбы диаметром 18 мм и длинной SO мм при А 2 = 0.25 мм, Дг = 0.1 мм и Г0 = 600 К, причем принимались во внимание температурные зависимости теплофизических характеристик элементов колбы [69]. Отвод тепла излучением с части поверхности электрода, контактирующей с газом, составляет 65 %, теплопередачей через газ - 5 %, а теплопередачей через стекло в месте соединения электрода с колбой — 30 %. Вычисленная относительная разность полных количеств тепла, получаемого и теряемого электродом за период, не превосходит 5 %, что подтверждает приемлемую точность предложенного метода решения краевой задачи На рис. 2.7. представлены рассчитанные зависимости усредненных по периоду значений температуры от разрядного тока в точках электрода, обозначенных на рис.2.4. цифрами, а также ее экспериментально найденные величины. Очевидно, что имеет место удовлетворительное согласие результатов. 1. Проведены теоретические исследования параметров перехода тлеющего разряда в дуговой в случае использования спеченных электродов в горелках ртутных ламп высокого давления.
Показано, что эти параметры хоро шо согласуются с существующими экспериментальными данными. 2. Проведен расчет температурных условий работы спеченных электро дов. Рассчитаны распределения температуры вдоль оси симметрии горелки и в радиальном направлении вдоль. 3. Выявлено, что отвод тепла излучением с части поверхности электро да, контактирующей с газом, составляет 65 %, теплопередачей через газ — 5 %, а теплопередачей через стекло в месте соединения электрода с колбой — 30 %. 4. Проведенные расчеты показали, что применение спеченного электрода позволяет в два — три раза снизить температурный градиент вдоль образующей его цилиндрической части. При этом абсолютная величина разности температур по длине электрода не превышает 200К. 5. Результаты работ главы подтверждают перспективность использования спеченных электродов и позволяют определить ориентировочные рамки экспериментальных исследований. Газоразрядные лампы ДРЛ включаются в сеть переменного тока напряжением 220В. Осциллограмма напряжения питающей сети приведена на рис.3.1. В общем случае процессы зажигания и работы лампы имеют следующий вид [1,2]. После подачи напряжения на электроды при достижении им некоторого уровня Ujrp (напряжения зажигания тлеющего разряда), в горелке зажигается тлеющий разряд, осциллограммы напряжения и тока которого приведены нарис. 3.2. Дальнейшее повышение напряжения переводит тлеющий разряд в стадию аномального, при котором происходит разогрев электродов или их отдельных участков до температуры возникновения термоэмиссии. При увеличении силы тока тлеющего разряда до значения 1щ (тока возникновения дугового разряда), разряд переходит в дуговой, напряжение на разрядном промежутке резко падает, а ток возрастает. Осциллограммы напряжения и тока в дуговом разряде приведены на рис.3.3. Некоторое время описанная последовательность процессов повторяется, после чего возможны два варианта развития ситуации: - количество теплоты, сообщаемое электродам разрядом, достаточно для сохранения температуры термоэлектронной эмиссии до прихода следующей полуволны напряжения. В этом случае дуговой разряд зажигается на каждом полупериоде напряжения, минуя стадию тлеющего;
Исследование зависимости распределения температуры по поверхности электрода от его геометрии и величины разрядного тока
Для проведения исследований изготавливались два вида горелок: горелки стандартной конструкции, в которых устанавливались спиральные или спеченные электроды (рис.3.6), а также экспериментальные, в которых одновременно находились спиральные и спеченные электроды (рис.3.7). Как отмечалось, важнейшее условие работы горелки - оптимальность температур заэлектродной зоны (Т2), места впая керна в кварц и наиболее высокотемпературной части электрода (ТІ), рис. 3.8. Поскольку в существующих горелках первое и второе условия обеспечиваются стандартными спиральными электродами, есть все основания выбрать значения температуры области Т2 и места впая, обеспечиваемые спиральными электродами, за точки отсчета. Распределение температуры по виткам стандартного спирального электрода лампы ДРЛ250 показано на рис.3.9. Из графика следует, что для обеспечения полного испарения ртути, находящейся в заэлектродной зоне, температура области Т2 должна находиться на уровне 1350 -1450К. Было проведено исследование температурных режимов спеченных электродов диаметром от 1,5 мм до 5 мм и высотой от 1 мм до 9 мм. Спиральные электроды использовались стандартные от ламп мощностью 125, 250 и 400 Вт. Из многочисленных исследованных образцов были отобраны электроды с размерами, приведенными в табл. 2, наиболее подходящие для горелок ламп ДРЛ мощностью 125,250 и 400 Вт. Таким образом, из анализа результатов исследований следует, что спеченные электроды обладают более широким диапазоном применения с точки зрения обеспечения температурных режимов горелки. При этом необходимые значения температур заэлектродной зоны и места впая керна в кварц обеспечиваются при пониженной на 200 — 300K температуре области электрода ТІ, обращенной в сторону разряда, что снижает испарение активатора в режиме дугового разряда на порядок и больше. 3.5. Исследование динамических характеристик взаимодействия спеченных электродов с разрядной плазмой Результаты, полученные многочисленными исследователями, позволяют утверждать, что режим горения тлеющего разряда и режим дугового разряда в течение времени полного испарения ртути, составляющие менее 1 % рабочего времени лампы, уменьшают срок ее службы в два раза.
Для того, чтобы долговечность лампы максимально приблизить к потенциально возможной, необходимо выполнение следующих условий: - минимальное время существования стадии тлеющего разряда, на которой происходит активное распыление электродного материала высокоэнер-гетичными частицами плазмы; - минимальное время выхода горелки на рабочий режим, характеризующийся снижением величины разрядного тока и давлением газового наполнения, обеспечиваемым полным испарением ртути; - минимальная температура электрода, при которой величина термоэмиссионного тока обеспечивает требуемый разрядный ток. Расчеты, проведенные во второй главе для спеченного электрода с достаточно произвольно выбранными размерами, показали, что его разогрев до температуры, при которой исчезает эффект перезажигания (термоэмиссия продолжается в промежутках между следующими полуволнами напряжения), происходит в течение нескольких секунд. Для нахождения оптимальных размеров электродов проводились измерения времени переходного процесса на целой гамме электродов с различной геометрией. Осциллограмма напряжения на горелке в переходном процессе с одним из вариантов электродов представлена на рис. 3.13. Длительность развертки составляет 5 секунд на деление. Как следует из рисунка, время переходного периода (время, в течение которого электрод нагревается до температуры, обеспечивающей существование термоэмиссии в течение полного периода питающего напряжения), составляет около 10 секунд. Подобным образом ведут себя спеченные электроды с размерами А (табл.2), установленные в горелки ламп мощностью 125 Вт, включенные в схему со стандартным дросселем. На рис. 3.14 показана часть осциллограммы напряжения на горелке от лампы мощностью 250 Вт при установленном в ней спеченном электроде диаметром 5 мм и длиной 9 мм (дроссель стандартный от лампы ДРЛ250). В этом случае в течение всего времени подачи напряжения на горелку горит тлеющий разряд, не переходящий в дуговой. Процесс сопровождается постепенным напылением на внутреннюю поверхность колбы горелки материала электрода и ее потемнением. Напряжение разряда практически равно сетевому, а давление — исходному давлению аргонового наполнения. На рис.3.15 показана осциллограмма переходного процесса в горелке лампы ДРЛ400, в которой установлены электроды с размерами, соответствующими мощности 125Вт. Как видно на рис. 3.15, дуговой разряд устанавливается практически в течение одного полупериода питающего напряжения. Проведенные исследования показали, что нагрев электродов оптимальных размеров до исчезновения явления перезажигания происходит в течение времени порядка секунды. Однако при этом горелка, в том числе ее заэлек-тродные зоны, все еще имеют температуру окружающей среды; давление паров ртути составляет доли процента от давления аргонового наполнения и испаряемый с электродов материал (преимущественно активатор) активно диффундирует в объеме горелки, осаждаясь на ее стенках. С течением времени все области горелки прогреваются, ртуть испаряется и давление газового наполнения достигает рабочего уровня, практически равного атмосферному. Длина свободного пробега испаренных частиц уменьшается на порядок и более, что обеспечивает их почти стопроцентный возврат на электрод.
Электрические параметры разряда в это время изменяются следующим образом: разрядный ток при возникновении дугового разряда составляет порядка 160% от тока в рабочем режиме, а напряжение на горелке увеличивается от 15В (потенциал ионизации аргона) до 130±15В, На рис. 3.16 показан ход кривых напряжения и тока в течение времени выхода лампы на рабочий режим. В лампе мощностью 250Вт использовались стандартные спиральные электроды и спеченные электроды, размеры которых выбирались по температурным характеристикам и длительности переходного процесса. Как следует из рисунка, время выхода на рабочий режим ламп со спеченными электродами на 40% меньше, чем со спиральными. 3.6. Исследование переноса вещества электродов в ртутных лампах высокого давления Долговечность дуговых осветительных ламп существенно зависит от стабильности эмиссионных свойств их электродов. Спеченные электроды состоят из вольфрамового керна и напрессованной на него в виде цилиндра спеченной массы из смеси порошка вольфрама и эмиссионного вещества, содержащего оксиды щелочноземельных металлов, например, бария. В процессе работы лампы разряд горит на торец керна и спеченная масса нагревается до температуры порядка 1500К, при которой происходит испарение атомов эмиссионного вещества и их перенос в объеме разрядной колбы. Часть из атомов осаждается на торце керна, что снижает работу выхода его поверхности и приводит к уменьшению рабочей температуры. Напыление же эмиссионного вещества на стенки разрядной колбы ухудшает ее прозрачность. Расчет переноса атомов, испаренных с поверхности плоского катода, проводился в одномерном приближении в работе [95]. В работе [96] экспериментально обнаружено эмиссионное вещество на торце керна электрода и высказано предположение, что основным механизмом его переноса на эту поверхность является диффузия вдоль боковой поверхности керна. В работах [97-101] построена двухмерная модель переноса эмиссионного вещества в объеме цилиндрической разрядной колбы дуговой лампы высокого давления рис.3.17. В ней рассчитана плотность потока эмиссионного вещества, осаждающегося на стенки разрядной колбы и торец керна. Экспериментально исследовано влияние осаждения эмиссионного вещества на изменение эмиссионных свойств вольфрамового керна. Вычисления производились при разрядных условиях, характерных для лампы ДРЛ-400. Найденное распределение плотности потока испаренных атомов вдоль стенки разрядной колбы (рис. 3.18) согласуется с результатами экспериментальных измерений.
Исследование возможности использования одного ограничителя тока при использовании спеченных электродов
Исследование параметров ламп высокого давления со спеченными электродами показало, что применение спеченных электродов приводит к уменьшению к напряжения зажигания ламп как в начале, так и в процессе срока службы ламп. Подобное обстоятельство позволяет исключить один из двух ограничителей тока при безусловном выполнении требований технических условий в части напряжения зажигания ламп типа ДРЛ как при нормальных условиях, так и при воздействии отрицательных температур до минус 40С включительно. На рис.4.3 и рис.4.4 приведены конструкции смонтированной ножки с использованием спеченных и спиральных электродов. В этом случае необходим лишь один ограничитель тока. При этом устраняется один токоввод и четыре сварных точки, что дополнительно уменьшает себестоимость ламп. На лампах типа ДРЛ-125 снижение себестоимости (из расчета общезаводской себестоимости) составляет 1250 рублей на 1000 годных ламп, на лампах типа ДРЛ 250 -1550 руб. на 1000 годных ламп, на лампах типа ДРЛ 400 - 1850 руб. на 1000 годных ламп. Конструкция спеченного электрода является более технологичной по сравнению с конструкцией спирального вследствие того, что в процессе производства газоразрядных ламп спеченный электрод не подвергается операциям, в процессе совершения которых на электрод могут быть занесены загрязнения, оказывающие отрицательное влияние на функции электрода в лампе. Прежде всего это касается операции нанесения оксидной суспензии, которая содержит 7 компонентов, на поверхность спирального электрода. При нанесении оксидной суспензии часть ее составляющих неизбежно (а среди них в качестве растворителя используется оксинитрат алюминия, отрицательно сказывающийся на работе лампы) остается на поверхности электрода, имеющего, как показано ранее, весьма сложный рельеф. Сложная конфигурация поверхности традиционного спирального электрода приводит к закреплению на ней и других загрязнений на многочисленных операциях сборочного производства газоразрядных ламп. Конструкция же спеченного электрода представляет собой цилиндрическое тело, на поверхности которого закрепление разного рода загрязнений является проблематичным. Кроме того, количество операций, которым подвергается спеченный электрод, гораздо меньше по сравнению со спиральным электродом.
Таким образом удается повысить выход годных при изготовлении горелок газоразрядных ламп типа ДРЛ в среднем на 2 %, а, учитывая 50% удельный вес горелки в себестоимости ламп типа ДРЛ, это соответствует снижению себестоимости ламп на 1,0 %. Названные факторы обеспечивают снижение себестоимости ламп типа ДРЛ на уровне 4,5 %, что дает экономический эффект в размере 2,25 руб. в расчете на одну лампу и годовой экономический эффект (при плане производства — 2000 тыс.шт/год) в размере 4,5 млн.руб. Спеченные электроды изготавливаются методом порошковой металлургии по безотходной технологии. Последняя характеризуется практически 100% выходом при изготовлении изделий. По этой причине себестоимость изготовления спеченных электродов, а, следовательно, и цена, становятся ниже соответствующих при изготовлении электродов газоразрядных ламп традиционной конструкции. Это определяется тем, что при существующей технологии изготовления электродов приходится выполнять операцию навивки спирали из вольфрама на стержень малого диаметра. Вследствие высоких прочности и хрупкости вольфрама эту операцию необходимо выполнять с подогревом материала, что усложняет сам технологический процесс, кроме того, усложняется и конструкция оборудования, на котором производится описываемая операция. Указанные трудности при изготовлении электродов традиционной конструкции определяют выход годных на уровне 75-77 %, что и является одной из причин, обусловливающих более высокие себестоимость и цену по сравнению с предложенными в этой работе спеченными электродами. Еще одной важной причиной разницы в ценах является тот факт, что для изготовления спиральных электродов традиционной конструкции используется готовая вольфрамовая проволока, технологический процесс которой включает в себя целый ряд операций, таких как спекание порошковой массы, ковка вольфрамовых штабиков, волочение проволоки из штабиков и т. д. Все указанные операции являются весьма сложными (из-за высоких прочности, хрупкости и температуры плавления вольфрама) и энергозатратными, поскольку выполняются при предварительном подогреве исходного материала до температуры порядка 900С. При изготовлении же спеченных электродов используется порошок вольфрама, т. е. материал, получаемый на первой стадии изготовления вольфрамовой проволоки, поэтому указанные энергоемкие операции вообще отсутствуют, что дополнительно снижает их себестоимость. Технологический процесс изготовления газоразрядных горелок ламп типа ДРЛ уже при поступления в него готовых спиральных электродов предусматривает ряд операций их финишной обработки, который включает в себя обработку электродов в растворе смеси кислот, приготовление оксидной суспензии из 6-7 компонентов и нанесение ее на спиральные электроды (при контроле количества наносимой на электрод оксидной суспензии) и, наконец, обработка уже оксидированных электродов в водороде (для восстановления эмиттера) при температуре 1600С и током высокой частоты в вакууме при нагревании до температуры 900С. Применение спеченных электродов позволяет значительно уменьшить количество операций финишной обработки.
Она включает лишь операции обработки электродов в водороде и в вакууме, которые к тому же носят страхующий характер и устраняют возможные загрязнения при разгерметизации ампул со спеченными электродами и поэтому являются выборочными. Весьма важной является повышенная устойчивость спеченных электродов к распылению в тлеющем разряде. Исследования показали, что в режиме частых включений (цикл работы лампы состоит из ее включения, выхода на рабочий режим, выключения и остывания) заметный налет распыленного вещества электрода на стенках горелки появляется сто — двести циклов при использовании спиральных электродов, а при использовании спеченных электродов налет отсутствует даже после 2000 циклов. Этот факт может использоваться для восстановления работоспособности горелки в случае окисления поверхности спеченных электродов при нарушении вакуумного режима на операциях заштамповки или последующей вакуумной обработки горелок [106]. При обнаружении окисления электродов между каждым из основных и поджигающих электродов зажигают тлеющий разряд, который в течение 40 -50 секунд удаляет окисленный слой с поверхности электродов. После такой операции горелки становятся полностью работоспособными. Основным положительным фактором использования ламп типа ДРЛ у потребителя является увеличение продолжительности горения ламп. Результаты испытаний ламп типа ДРЛ 250(8)ПН, являющихся наиболее массовыми среди ламп типа ДРЛ, на срок службы показали, что продолжительность горения ламп увеличилась с 12000 до, по меньшей мере, 18000 часов. Еще большее отличие сроков службы ламп типов ДРЛ125ПН и ДРЛ400ПН, на процесс которых распространено использование спеченных электродов. В среднем продолжительность горения газоразрядных ламп типа ДРЛ увеличилась на 55%, что приносит потребителю экономический эффект в таком же процентном отношении от цены ламп. Начальные параметры газоразрядных ламп высокого давления определяются прежде всего физикой дугового разряда в парах ртути. Поэтому световой поток ламп изготовленных как со спеченными, так и со спиральными электродами приблизительно одинаков. Однако по мере горения ламп происходят процессы, оказывающие серьезное влияние на уровень светового потока: распыление материала электродов и осаждение его на внутреннюю поверхность кварцевой горелки, в результате чего коэффициент пропускания потока излучения уменьшается; уменьшение коэффициента пропускания кварцевого стекла горелок вследствие его загрязнения непрозрачными частицами вольфрама приводит к локальному перегреву загрязненных участков горелки и к последующей лавинообразной кристаллизации кварцевого стекла; кристаллизация кварцевого стекла горелок является основной причиной выхода ламп из строя либо по причине спада (сверх допустимого) светового потока, либо вследствие механического разрушения горелок, поскольку кристаллизация кварцевого стекла резко уменьшает его механическую прочность.
