 |
 |
 |
 |
вакуумно-плотных вводов на токи до нескольких десятков ампер была решена примерно в 1936-1938 гг., после чего стали получать все более широкое развитие различные источники света высокой интенсивности в колбах из кварцевого стекла.
Серьезным недостатком силикатных стекол, в том числе и кварцевого стекла, является их слабая устойчивость по отношению к разряду в парах щелочных металлов при повышенных температурах. Для ламп НД с парами этих металлов изготовляются специальные накладные стекла (см. § 13.1). Их рабочие температуры не превосходят 450 °С. Поэтому они непригодны для создания ламп высокого давления с парами этих металлов.
В конце 50-х годов был разработан новый керамический материал для колб, обладающий более высокими рабочими температурами (до 1600°С), чем кварцевое стекло, и весьма устойчивый к воздействию паров щелочных металлов вплоть до 1500 °С. Он представляет собой спеченный при высоких температурах поликристаллический оксид алюминия AI2O3 особой чистоты и известен под названиями «поликор», «люкор» и др. Появление этого материала открыло возможности создания ряда ламп высокого давления с парами щелочных металлов, таких, как натрий, цезий и др. В настоящее время этот материал получил широкое применение в натриевых лампах ВД (см. гл. 18).
В середине 70-х годов была разработана технология производства трубок из высокопрозрачных монокристаллов AI2O3. Их коэффициент пропускания достигает 96-98%, и они практически не содержат примеси. Трубки используются в качестве оболочек для ламп высокого давления в парах щелочных металлов (см. гл. 18).
Поликристаллический оксид алюминия имеет следующие характеристики: плотность 4 г/см; температурный коэффициент линейного расширения около 8-10~ °С~; температура плавления 2050°С; теплопроводность 0,318 Вт/(см-°С) при 50°С и круто падает с ростом температуры выше 100 °С; модуль упругости 3,9-10 кгс/см; временное сопротивление разрыву 3100 кгс/см; коэффициент Пуассона 0,2. Материал дает рассеянное пропускание; прозрачность в видимой области для всего потока - до 90%, средняя величина прямого пропускания 35%, в ИК-области пропускание до 6-7 мкм [7.3].
Форма и размеры колб определяются в основном выбранной формой и типом разряда, конструктивными и технологическими соображениями, а также условиями получения требуемого температурного режима. Колбы ламп с малым расстоянием между электродами имеют шаровую или близкую к ним форму, цилиндрическую, овальную и т. п. Колбы ламп с большим расстоянием между электродами имеют форму трубок. Для мощных ламп низкого давления с резонансным излучением
иногда применяют трубки некруглого сечения. В последние годы все большее применение находят лампы, сочетающие в себе источник излучения с оптической системой для перераспределения излучения в пространстве.
Определяющими конструктивными размерами колбы являются в случае шаровой формы диаметр и толщина стенки, в случае трубчатой формы диаметр трубки, ее длина и толщина стенки. В том случае, когда трубкам придают форму спиралей, зигзагов и т. п., к конструктивным размерам относятся также диаметр спирали и ее шаг или другие геометрические размеры, определяющие конфигурацию лампы. Конфигурация трубчатых ламп определяется обычно, исходя из светотехнических требований с учетом теплового режима колбы. Размеры колб выбираются, исходя из геометрических размеров разряда и температурного режима лампы.
Лампы, у которых длина и диаметр колбы примерно одного размера, условно будем называть компактными.
7.2. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ КОЛБ
Температуры колб являются одной из важнейших характеристик, поскольку они определяют выбор материала, а в лампах с парами металла и других веществ - давление паров, от которого зависят все параметры разряда. Температурные поля колб, электродов, вводов могут быть найдены путем решения уравнений их теплового баланса с соответствующими начальными и граничными условиями.
Общее уравнение трехмерного нестационарного температурного поля оболочки с неравномерно распределенными объемными источниками и стоками тепла имеет вид
. g у,
где Су - удельная объемная теплоемкость материала колбы, в общем случае зависящая от координат г и температуры; и - коэффициент теплопроводности, в общем случае зависящий от координат и температуры; инагр - объемная плотность мощности нагрева в точке г в момент времени t не за счет теплопроводности материала колбы, а, например, за счет поглощения излучения; иохл - то же охлаждения.
В реальных лампах всегда наблюдается неравномерность распределения температуры по поверхности колбы, которая зависит от неравномерности нагрева и других факторов. Строгое решение уравнения баланса с учетом всех этих обстоятельств может быть выполнено только на ЭВМ путем численного решения конечно-разностной системы уравнений при задании на-
чальных и граничных условий. В [7.7], например, разработаны алгоритм и программа решения подобной задачи на ЭВМ для цилиндрической оболочки и проведены расчеты нелинейного нестационарного температурного поля короткой толстостенной цилиндрической оболочки с учетом неоднородности поля объемных источников тепла и различных граничных условий. Имеются программы, приспособленные для расчета температурного поля цилиндрической оболочки с учетом неравномерности нагрева и охлаждения по двум и по одной координате (см., например, [7.8]).
Однако строгое решение достаточно сложно и трудоемко (особенно, если нужно составлять и отлаживать программу); кроме того, для решения требуется соответствующая ЭВМ. Поэтому для многих инженерных задач более рационально иметь приближенные решения с приемлемыми в каждом конкретном случае допущениями.
Ввиду ограниченного объема книги рассмотрим здесь наиболее простые случаи, позволяющие уяснить постановку задачи и в то же время дающие возможность успешно проводить инженерный расчет колб большинства разрядных ламп.
В этом параграфе рассмотрим стационарный режим {dT/dt=0). Нестационарный режим см. в § 7.7.
Таким образом, задача сводится к решению уравнения вида
div (и grad Г) =и;охл-инагр (7.2)
с различными граничными условиями.
Примем, что нагрев происходит только на внутренней поверхности колбы, а охлаждение - только с ее внешней поверхности. Это допущение позволяет принять Шкагр и хюокл в стенках колбы равными нулю, что значительно упрощает расчет и в то же время в большинстве случаев вносит незначительную ошибку. В специальных случаях необходимо учитывать объемный характер нагрева и охлаждения стенок колбы.
Дальнейшие допущения и ограничения будут делаться по ходу изложения.
Напомним решение для простейшего случая.
Усредненный тепловой баланс колб и методы его решения. Наиболее просто задача решается, если принять, что температуры по внутренней и внешней поверхностям колбы постоянны и градиент температур направлен нормально к поверхности; охлаждение с внешней поверхности происходит по закону Ньютона.
При этих допущениях тепловой поток Q через поверхность стенкк колбы, нормальную к градиенту температуры,
Q=-%{dTldr)S, (7.3)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 [ 77 ] 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239