Конструкция теплового источника оптического излучения

Конструкция теплового источника оптического излучения

4461

Реферат

Пояснительная записка содержит листа, рисунков, 6 чертежей, 5 таблиц, 3 использованных источника.

ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ, УСТРОЙСТВО ЛАМПЫ, ТЕЛО НАКАЛА, НОЖКА, СРЕДНЯЯ ТЕМПЕРАТУРА КОЛБЫ, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ДИАМЕТР НИТИ, ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ.

В данном курсовом проекте производится расчет и конструирование лампы накаливания с вакуумным наполнением, рассчитывается тело накала, диаметр колбы по заданной средней температуре колбе, коэффициенты зависимости температуры, мощности, светового потока и световой отдачи от изменения диаметра нити тела накала. Приведена технология изготовления спроектированной лампы. В графической части приведены сборочный чертеж разработанной лампы накаливания, тела накала, ножки и т.д.

Введение

Число типоразмеров тепловых источников оптического излучения, среди которых основное место занимают лампы накаливания (ЛН), исчисляется несколькими тысячами. Столь большое разнообразие решений тепловых источников излучения обусловлено повсеместным и эффективным их применением в различных областях человеческой деятельности. Широкое распространение ЛН, прежде всего объясняется их сравнительной простотой и надежностью эксплуатации, отработанностью технологии производства и дешевизной. Промышленностью освоены лампы, напряжение которых колеблется от долей до многих сотен вольт, мощность - от сотых долей ватта до десятков киловатт. Применяются лампы, размер которых меньше рисового зерна, и в то же время в специальных оптических системах используются лампы, диаметр колбы которых превышает 0,6 м.

Практическое отсутствие ограничений в части создания ламп на требуемые мощности и напряжения, сравнительная простота реализации ламп с необходимыми габаритами и заданной форма тел накала и колбы, широкие возможности регулирования яркости (в том числе габаритной) тела накала и многие другие преимущества ЛН делают их вполне перспективными в необозримом будущем.

Путем изменения температуры тела накала, материала и толщины стекла, из которого выполняется колба, а также параметров покрытий, наносимых на стекло колбы, можно в весьма широких пределах изменять спектральные характеристики ЛН. ЛН в отличие от все более широко используемых газоразрядных ламп не требует специальной пускорегулирующей аппаратуры, обеспечивающей зажигание и стабилизацию разряда. В отличие от многих типов газоразрядных источников света характеристики ламп накаливания практически не зависят от температуры окружающей среды. Уместно напомнить, что миниатюрные и микроминиатюрные (сверхминиатюрные) источники света, как правило, крайне сложно выполнить с помощью газоразрядной лампы, поскольку при весьма малых расстояниях между электродами (при требуемых малых габаритах области излучения) сложно обеспечить надежное зажигание и поддержание стабильного газового разряда. Поэтому в установках, в которых требуются миниатюрные источники излучения, еще многие годы будут отдаваться предпочтение лампам накаливания.

Указанные достоинства ламп накаливания во многом объясняют непрерывные поиски новых высокотемпературных материалов, совершенствование элементов ламп, создание полностью автоматизированных и высокоскоростных поточных линий, повсеместные теоретические и экспериментальные исследования (особенно применительно к специальным низковольтным и галогенным лампам накаливания).

Лампы накаливания (ЛН) принадлежат к искусственным источникам света теплового излучения. Устройство ЛН основано на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока по проводнику с высокой температурой плавления. Нагретый током тугоплавкий проводник излучает энергию, которая в форме электромагнитных волн различной длины волны распространяется в окружающем пространстве. Убыль энергии в виде излучения постоянно восполняется проходящим током.

При низких температурах проводник излучает почти только невидимые лучи, а с повышением температуры возрастает энергия излучения и увеличивается доля видимых лучей. Проводник начинает светиться сначала темно-красным, затем красными оранжевым и, наконец, белым светом.

Лампы накаливания принадлежат к электровакуумным приборам, - действие которых связано с использованием электрических явлений в их рабочем пространстве. Они входят в группу так называемых безразрядных или проводниковых приборов, характеризующихся прохождением электрического тока по проводникам и используемых в качестве источника излучения (обычно-видимого света).

Расчет и конструирование новых ЛН принято проводить в несколько этапов. Основными из которых являются следующие:

а) анализ пополнение исходных данных;

б) по исходным данным определяются диаметр и длина нити накала, диаметр спирали и длина спирали с последующим уточнением количества крючков.

в) расчет рабочего режима лампы (тела накала) с помощью построения зависимостей Рл, эффективного энергетического потока (Ф'э) и мощности отводимой через газ (Рг), от температуры тела накала (Т) - при равенстве Рл(Т) и Ф'э(Т)+Рг(Т) находится рабочая температура тела накала (Т) и соответствующая ей Рл и Н.

г) уточнение Рл и Н по формулам пересчета, разработка конструкции и технологии производства предлагаемого варианта лампы.

1. Описание устройства проектируемой лампы

Рассмотрим устройство проектируемой лампы на примере лампы накаливания общего назначения.

Главной частью любой ЛН является тело накала (1) (рис.1). Нагревание тела накала (ТН) производят пропускание через него электрического тока, что приводит к излучению света. ТН может быть выполнено из нити, спирали, биспирали, триспирали и иметь различные формы и размеры. Для того, чтобы ТН в процессе работы сохраняло исходную форму его фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов (2) и держателей (3). Необходимо отметить, что при конструировании тела накала важнейшими являются вопросы монтажа на ножке лампы. Выбор конструкции монтажа может повлиять на конструкцию самой спирали, т.е. может потребовать заранее предусмотренных пропусков спирали, называемых «тире». Ниже на рис.2 приведены наиболее распространенные типы монтажа.

В зависимости от типа лампы электроды могут быть одно- двух- и трехзвенными. Внутреннее звено изготовляется из никеля, ферроникеля, меди или платинита. Среднее звено может быть изготовлено из платинита или молибдена. Внешнее звено изготовляется из меди, платинита. Если внешнее звено выполняет роль плавкой вставки, то оно изготавливается из ферроникеля.

Рис.2. Наиболее распространенные типы монтажа.

Электроды и держатели являются частью ножки. Ножка - стеклянный конструктивный узел лампы который кроме электродов включает в себя стеклянный цельной или пустотелый штабик (5) с линзочкой (4), стеклянный пустотелый штенгель (8) и стеклянную трубку тарелку (9) имеющую в нижней части развертку. Эти детали соединены между собой путем сплавления стеклянных элементов в зоне лопатки (6). Ножкой служит опорой для ТН и вместе с колбой обеспечивает герметичность лампы. Для удобства эксплуатации на горловину с помощью мастики укрепляется цоколь (11).

Металлический корпус (1), который служит для установки лампы в патроне, обеспечения электрических контактов между сетью (упругим контактом патрона) и электродами лампы (в большинстве ламп его привариваются или припаивают к корпусу), нанесение маркировки на рант и соединение цоколя с горлом лампы посредством цоколевочной мастики. Металлические контактные пластины (2) служащие для осуществления электрического контакта между сетью (упругими контактами патрона) и другими электродами лампы, которые привариваются или припаиваются к пластине. Стеклянный или керамический изолятор (3), обеспечивающий механическое соединение корпуса с контактными пластинами и электрически изолирующий их друг от друга.

2. Расчет тела накала

При выборе и определении исходных данных необходимо учитывать следующее.

При Рл<25 Вт (U>130В) тело накала - спираль, а лампа вакуумная (В); если Рл>200 Вт (U>130 В), то ЛН, как правило, со спиральным телом накала, а наполнение - технический аргон (Г); в тех случаях, когда 40 Вт < P < 200 Вт, то лампы биспиральные наполненные техническим аргоном (Б) или техническим криптоном (БК).

В нашем случае (Рл = 80 Вт, U = 220 В), тело накала - спираль, лампа вакумная.

Опыт серийного производства показывает, что коэффициент шага (kш) и сердечника (kс) обычно находится в пределах kш = 1,3 - 1,7; kс = 3 - 6 (kш, kс - соответственно, коэффициенты шага и сердечника спирали). Коэффициент шага стремятся сделать меньше, а сердечника - больше, так как при этом тело накала компактнее, а потери через газ - меньше.

Выбираем спиральную вакуумную лампу. При этом потери через газ будут равны kГ = 0.

Ток лампы найдется из выражения:

Коэффициент шага kШ = 1,4. Коэффициент сердечника kС = 4,0.

Коэффициент излучения есть функция коэффициента шага. По табл.1 принимаем = 0.74

Таблица 1.

Коэффициент видимого излучения для спирали определяется по формуле В.СП = , = f(kШ). Зависимость представлена на рисунке 3.

Рис.3. Зависимость от kШ.

Из рисунка 3 видно, что = 0.934. Тогда

В.СП = = 0.74 0.934 = 0.69.

Световая отдача лампы найдется из выражения:

Задаем также коэффициент экранирования светового потока цоколем Ц =1,03; коэффициент охлаждающего действия электродов и крючков Д =1,03; коэффициент охлаждающего действия поддержек при I=const =1,015;

Рассмотрение внутреннего и внешнего баланса энергии ламп накаливания, у которых охлаждающее действие поддержек не перекрывается, позволило установить, что

где , - удельное сопротивление и энергетическая светимость вольфрама при температуре Т; k - относительные потери через газ; Нл, Нпр - световые отдачи лампы и прямой нить (в вакууме); , - общие коэффициенты излучения и излучения по световому потоку ТН; I, U - ток лампы и напряжение на ней; - коэффициент, учитывающий уменьшение мощности за счет охлаждающего действия поддержек при I=const (для ЛОН =1,01 - 1,02); - коэффициент, характеризующий экранирующее действие цоколя ( = 1,03 - 1,08); - коэффициент, определяющий потери светового потока ТН из-за охлаждающего действия поддержек, = 1 + (0,004 - 0,008)nд, где nд - количество поддерживающих ТН электродов и крючков; для ЛОН = 1,03 - 1,05.

Рассчитываем световую отдачу прямой нити в вакууме:

Температура ТН однозначно связана с НПР, а Т = f(T) и MeT = f(T) представлены в табл. 2.

Таблица 2.

При НПР= 9,949 лм/Вт температура ТН равна 2427,6 К, энергетическая светимость МеТ = 61 Вт/см2, а удельное сопротивление Т = 71,3610-6 Омсм.

Рассчитываем диаметр (d) и длину (l) нити:

Далее найдем геометрические параметры ТН по формулам:

Уточнение параметров ТН рассчитанной лампы производится путем графического определения рабочей температуры ТН (ТР) по пересечению рассчитываемых

РЛ = U2 / rT = f(T) и Фе = f(T)

Для этого построим зависимости мощности лампы и энергетического потока от температуры тела накала. Расчет кривых проводим с помощью программы предназначенной для расчета ламп накаливания. Значения приведены в табл.3.

Таблица 3.

По данным табл.3 построим кривые зависимостей РЛ=f(T) и Фе=f(T) (рис.4).

Определим точно значение температуры.

ТР = 2425,4 К.

Сопротивление нагретого ТН найдется из выражения:

- коэффициент, учитывающий охлаждающее действие выбранного после предварительного расчета тело накала количества держателей:

где nД - количество электродов и крючков, Q1 - табулированная функция (Q1=0,00295) , d - диаметр нити, - коэффициент излучения.

Находим уточненную мощность лампы:

Уточненный световой поток лампы найдется из формулы:

где LT - яркость по нормали к поверхности вольфрама (LT = 184,3 кд/см2, берется из таблицы).

Далее находим уточненную световую отдачу:

Далее проводится уточнение диаметра и длины нити тела накала по следующим формулам:

n = 1,19, nM = 4,75, nL = 10,91 - берется из таблицы.

Далее пересчитываем геометрические размеры тела накала по формулам:

3. Конструирование ножки

Ножкой называется цельный неразъемный узел лампы, включающий в себя стеклянный штабик 1, штенгель 2, тарелку 3 с разверткой 4 и трехзвенные электроды 10 cоединены в единую конструкцию посредством расплавления и последующей формовки стекленных элементов в виде лопатки 5. В это время осуществляется продувка штенгеля, в результате чего образуется откачное отверстие 6.

По конструктивному исполнению ножки разделяют на три группы: гребешковые, бусинковые и плоские. Подавляющее большинство ламп накаливания снабжают гребешковыми ножками, которые чаще всего имеют штенгель, штабик, тарелку и электроды.

Ножки для ламп на низкое рабочее напряжение изготавливают без штабика с одной двумя молибденовыми поддержками или без поддержек. Выбираем гребешковую ножку cо штабиком и десятью держателями впаянными в линзочку.

Средние звенья 7 электродов должны создавать со стеклом вакуумно-плотное соединения, которое изолировало бы внутренний объем лампы от окружающей среды. В большинстве ЛН для этих целей используют биметалл платинит. Диаметр платинита ограничивается областью от 0.25 до 0.8 мм. Платинит, диаметром 0.25 мм недостаточно прочен и не дает герметичного спая со стеклом из-за быстрого окисления, а толще 0.8 мм - вызывает опасности напряжения в стекле. Диаметр платинита выбираем из стандартного ряда в зависимости от предельно допустимых токовых нагрузках (dПЛАТ = 0,3 мм при IПРЕД = 2 А).

При изготовлении лампы штенгель 2 ножки служит элементом вакуумной системы, связывающим внутреннее пространство лампы с вакуумным насосом и обычно представляют стеклянные цилиндрические трубки круглого сечения, длина которых (LШ) значительно больше внутреннего диаметра (DШ). Между длиной и диаметром штенгеля обычно соблюдается соотношение LШ / DШ 20.

Длина штенгеля должна обеспечивать удобное вставление лампы в гнезда откачных установок. Выбираем выступающей за край развертки длину штенгеля равной 50 мм. Используя соотношение находим внутренний диаметр штенгеля 58 / 28 2 мм

Чертеж смонтированной ножки представлен в приложении.

4. Расчет средней температуры колбы

Колбы большинства ЛН - это стеклянные баллоны разной формы, в которые впаивают смонтированные ножки. На рис.6 приведены части и обозначения основных размеров колбы: 1 - основная часть колбы; 2 - горло колбы; 3 - рант.

Назначение колбы - надежно защищать тело накала от атмосферного воздуха; в максимальной степени пропускать оптическое излучение в течении всего срока службы; выполнять роль конструктивного остова лампы, связывая с собой заданным образом ножку и цоколь; в ряде случаев обеспечивать функции оптической системы; выполнять некоторые эстетические функции.

Определение температуры колбы ТК следует проводить в согласии с принятыми принципами расчета ТК колб разрядных ламп.

Так как

КРЛ = qАК,

где К - доля мощности лампы (РЛ), идущая на нагрев колбы; q - удельные тепловые потери колбы путем лучеиспускания (qИ) и отвода тепла через газ (qТ), а АК - площадь внешней колбы (АК = zdК, где dК - диаметр колбы; z - коэффициент, учитывающий реальную форму колбы и зону горловины), то

где Фе - поток излучения ТН; РГ - мощность тепловых потерь ТН через газ; РЦ - мощность, идущая на нагрев цоколя излучением и газом; К - эффективный коэффициент поглощения и излучения стеклом колбы; К - коэффициент, показывающий, какая часть РГ, падающая на колбу, поглощается стеклом; К, К - доли Фе и РГ, падающие на колбу лампы; К - доля РЦ, передаваемая цоколем колбе лампы; А - коэффициент, зависящий, в основном, от рода и давления окружающего колбу газа; ТК - средняя температура колбы, К; ТО - температура окружающей среды, К; К - коэффициент излучения стекла колбы; 0 - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6710-12 Вт/см2град.

Колбы ламп накаливания выполняются либо из стекла какой-либо группы, либо из кварца. В зависимости от того, с каким металлом стекло образует согласованный спай, стекла разделяют на следующие основные группы:

1) вольфрамовую (СЛ40), 2) молибденовую (СЛ 52), 3) платинитовую (СЛ 96), переходную (СЛ 58, СЛ 86). Кварцевое стекло (СЛ 5) применяется при изготовлении галогенных ламп накаливания, температура стенки которых должна быть около 500 - 600 C.

Итак, в качестве материала колбы выберем стекло, форма колбы - цилиндрическая.

Температура окружающей среды ТО = 25 оС;

Эффективный коэффициент поглощения излучения стеклом колбы К = 0,1.

От положения лампы в пространстве зависит ход конвекционных потоков в лампе и, соответственно, распределение температуры по поверхности колбы. Поэтому в расчете средней температуры колбы задается положение горения лампы: цоколем вверх или цоколем вниз.

Положение горения лампы - цоколем вниз.

Зададимся для расчета некоторыми коэффициентами.

Доля РГ, передаваемая колбе лампы К = 0,7;

Доля Фе падающего на колбу лампы К = 0,9;

Доля РЦ передаваемой цоколем колбе К = 0,08;

Поток излучения телом накала Фе = 79,9 Вт;

Мощность тепловых потерь ТН через газ (РГ) = 0 Вт.

В общем случае мощность идущая на нагрев цоколя излучением и газом:

Страницы: 1, 2