Тепловой режим колб разрядных ламп и методы его регулирования
.Температура внутренней поверхности колбы. В лампах с парами металла или их соединений, работающих в условиях насыщающих паров, минимальная температура внутренней поверхности колбы (лампы) во время работы лампы должна равняться температуре, при которой давление паров, насыщающих пространство, соответствует выбранному. В лампах, работающих в условиях ненасыщенных паров, она должна быть выше. Максимальная температура на внутренней поверхности колбы определяется допустимыми температурными условиями работы материала колбы или покрытия, например, слоя люминофора, и тесно связана со сроком службы лампы.
В лампах с газовым наполнением отпадает ограничение минимальной рабочей температуры колбы по давлению, поскольку оно мало зависит от минимальной температуры. Ограничение по максимальной температуре, связанное с температурными "условиями работы выбранного материала колбы, остается тем же, что и для ламп с парами.
Рассмотрим более подробно выбор теплового режима ламп высокой интенсивности. У многих типов ламп внутренние давления значительно выше атмосферного. Поэтому к материалу колб для этих ламп предъявляются дополнительные требования, чтобы он в течение всего срока службы выдерживал высокие рабочие температуры и высокие давления без разрушения, потери прозрачности и ухудшения вакуума. Материалом, наиболее широко используемым для изготовления колб ламп, работающих при температурах свыше 400—500 °С и при высоких давлениях, остается кварцевое стекло. В последнее время широко применяется также поли и монокристаллический оксид алюминия.
Максимально и минимально допустимые температуры кварцевого стекла. Для большинства применений максимально допустимая температура определяется скоростью процессов кристаллизации кварца, в результате которой он теряет прозрачность и механическую прочность. Скорость кристаллизации кварцевого стекла резко возрастает при повышении температуры выше определенного предела. Поэтому с точки зрения повышения срока службы необходимо стремиться к максимально возможному снижению температуры колбы.
Скорость кристаллизации кварца очень сильно зависит от степени его чистоты, способа изготовления, состояния поверхности и состава среды, в которой он работает. Для кварцевых ламп с высокой рабочей температурой следует брать только определенные, специально предназначенные сорта прозрачного кварца, устойчивые по отношению к кристаллизации. Сильно способствует кристаллизации попадание на поверхность стекла следов щелочноземельных металлов, жира от прикосновения рук и тому подобных загрязнений. Эти обстоятельства также необходимо учитывать при конструировании, изготовлении и эксплуатации кварцевых ламп.
В предельно чистых лабораторных условиях кристаллизация кварцевого стекла протекает в две стадии. На первой, на поверхности образуются отдельные микроскопические зародыши, которые растут и сливаются постепенно в сплошной кристаллический слой микроскопической толщины — это так называемый индукционный период. На второй происходит рост кристаллического слоя в глубину. В первом приближений зависимости для этих периодов можно аппроксимировать выражениями
dzldt^v^zvBexj)(—Bv/T),(
где т — время индукционного периода; v — скорость роста кристаллического слоя в глубину; г — толщина слоя; Т — температура; т0 и v0 — постоиншые; Ат и Bv — энергии активации соответствующих процессов; эти величины зависят от сорта кварцевого стекла и других условий. Схематическое распределение температуры по поверхности колбы разрядной лампы.
Таким образом, фактические температуры внутренней поверхности колбы ламп с парами металлов или их соединений должны лежать между кривой минимальных температур, определяемых давлением насыщающих паров, и прямой максимальной температуры, положение которой определяет срок службы лампы. На рис. 7.6 построены в качестве примера подобные данные для ртутно-кварцевых ламп.
Колбы из поли или монокристаллического оксида алюминия. Максимально допустимая температура определяется необходимым или возможным сроком службы, который зависит от различных процессов, нарушающих нормальную работу колбы лампы. Отметим, что скорость этих процессов также резко возрастает с температурой.
Минимально допустимая температура определяется так же, как и в других лампах с парами веществ.
Определение расчетной температуры. Для выбора материала колбы, срока службы и давления паров в лампах с парами важны максимальная и минимальная температуры внутренней поверхности колбы twax и tlmin, а также перепад температуры в стенках колбы Дгк*. С другой стороны, потери тепла зависят от температуры внешней поверхности колбы. В расчетные формулы входит некоторая усредненная эффективная температура внешней поверхности колбы г2Эф ИЛИ отдельных ее частей.
Перепад температуры в стенках колбы может быть рассчитан. Значительно труднее рассчитать распределение температуры по поверхности колбы, особенно учитывая неравномерности, вызванные конвекцией. Продольное распределение температуры по цилиндрической колбе без учета конвекции может быть рассчитано по уравнению . Учет конвекции и других причин, вызывающих неравномерное распределение температуры по колбе, весьма усложняет решение задачи, так как в каждом конкретном случае следует учитывать дополнительные факторы. Поэтому наряду с теоретическими расчетами для оценок приходится широко пользоваться данными экспериментов.
В процессе эксплуатации ламп наряду с пространственной неравномерностью распределения температуры по поверхности колбы наблюдается общее изменение теплового режима колбы во времени: обратимое, вызываемое изменениями напряжения сети и связанными с этим изменениями мощности, изменениями окружающей температуры и условий охлаждения, и необратимое, связанное с постепенным изменением прозрачности колбы и другими причинами.
При выборе расчетной эффективной температуры эти изменения также необходимо учитывать, подставляя в формулы близкие к предельным значения соответствующих величин: мощности ламп, оптических характеристик колбы, окружающей температуры и т. д.
Распределения температуры по поверхности колб для конкретных типов ламп приведены в главах, относящихся к соответствующим типам ламп. В качестве иллюстрации примеры распределения температуры для нескольких наиболее распространенных типов ламп, которые позволяют составить представление о значениях рабочих температур и степени ее неравномерности.
Пути регулирования температуры колб. На практике часто встречается необходимость регулировать температуру колбы или отдельных ее частей при заданной мощности и размерах. Регулирование при помощи изменения размеров.
Очевидно, что температура может быть повышена путем уменьшения и, наоборот, понижена путем их увеличения.
Температура колбы, исходя из этого, может быть повышена, если ее поместить во внешнюю колбу, наполненную газом или лучше откачанную, так как в этом случае уменьшается q. В тех случаях, когда внешняя колба наполнена газом и имеет достаточно большие размеры по сравнению с толщинами пограничных слоев, теплоотдачу от разрядной колбы к внешней колбе можно приближенно рассчитывать так же, как и для случая естественной конвекции, но при значении t0, равном средней температуре газа во внешней колбе за пределами застойного слоя и при соответствующем значении А . Если зазор между стенками внешней и разрядной колб меньше или равен сумме толщин пограничных слоев около этих стенок, тогда от лампы к внешней стенке определяется только теплопроводностью газа и размером зазоров и рассчитывается по обычным формулам для теплопроводности.
Толщина пограничного слоя может быть рассчитана из законов теплового подобия. При работе в условиях естественной конвекции она составляет 2—5 мм.
Температура может быть повышена также за счет уменьшения qu3JI путем уменьшения излучательной способности или путем отражения обратно на разрядную трубку неиспользуемого излучения. Излучательная способность колбы зависит от материала, его качества и состояния поверхности. Для изменения излучательной способности в сторону как ее уменьшения, так и увеличения часто пользуются нанесением покрытий.
Температуру поверхности можно уменьшить путем увеличения ее интегральной излучательной способности, например, нанесением покрытий с более высокой излучательной способностью или матированием поверхности.
Часто прибегают к увеличению д2т путем обдува лампы воздухом, а при необходимости более сильного теплоотвода - путем водяного охлаждения. Расчет проводится по приведенным выше формулам для соответствующих условий. Обратим внимание на то, что при расчетах нагрева или охлаждения за счет изменения излучательной способности путем выбора материала колбы (очень ограниченного) или нанесения слоев необходимо учитывать изменение и поглощение излучения разряда или электродов, т. е. режим нагрева.
Конкретные примеры расчетов теплового режима колб и вводов с учетом изменения q2? и q2W3n приведены при разборе отдельных типов ламп.
В литературе имеется довольно много статей, в которых рассматриваются различные конкретные случаи расчета тепловых режимов ламп.
Настольные лампы, Бра, Торшеры
Применение люминисцентных ламп и цвет свечения. Лампы Philips