Моделирование индукционного разряда низкого давления в замкнутой бесферритной трубке

Проблема энергосбережения является в современном мире весьма актуальной и насущной. Поскольку более 15% потребляемой энергии расходуется на освещение, то поиск новых энергоэффективных источников света является традиционным и проверенным многолетней практикой направлением на пути повышения эффективности использования энергии.

Одним из перспективных энергоэффективных источников видимого и ультрафиолетового излучения являются газоразрядные безэлектродные индукционные люминесцентные лампы (БИЛЛ), где источником излучения служит плазма индукционного разряда низкого давления, возбуждаемого высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем, генерируемым ВЧ током индукционной катушки. Их достоинства:

— отсутствие внутренних электродов и нитей накала, что обеспечивает высокий срок службы лампы: до 100 000 часов;

— возможность использования более низкого давления инертного газа, что позволяет получить высокую световую отдачу плазмы (до 120 лм/Вт);

— большой световой поток, генерируемый в небольшом объеме, что позволяет получить источник света большой яркости;

На сегодняшний день известны несколько типов безэлектродных индукционных ламп. По области применения их можно разделить на:

— компактные лампы мощностью 8−30 Вт, некоторые из которых служат для замены лампы накаливания;

— мощные лампы (100 — 400 Вт), применяющиеся для освещения улиц, стадионов, производственных помещений. То есть там, где замена вышедших из строя ламп весьма дорогостоящая процедура, требующая специального оборудования и персонала, а зачастую и остановки производства.

В безэлектродных лампах используются различные методы и схемы индуктивного возбуждения плазмы. Одной из наиболее распространенных является лампа трансформаторного типа, где трансформатором является кольцевой замкнутый магнитопровод, охватывающий замкнутую трубку, а вторичной обмоткой является возбужденная в трубке замкнутая одновитковая индуктивная плазма.

В конце прошлого века Поповым O.A. был предложен и экспериментально апробирован новый тип газоразрядной индукционной бесферритной люминесцентной лампы, в которой плазма возбуждается без магнитного усиления высокочастотным (ВЧ) током индуктивной катушки, охватывающей замкнутую разрядную трубку по ее периметру. Бесферритная лампа имеет световую отдачу, весьма близкую к световой отдаче лампы трансформаторного типа, но отличается от последней простотой конструкции (отсутствие магнитопровода и его держателя), большей технологичностью и большей надежностью и дешевизной.

Однако экспериментальные исследования бесферритных индукционных ламп в замкнутой трубке, зависимостей их электрических, энергетических и световых характеристик от внешних условий (мощности лампы и частоты ВЧ поля) и конструктивных параметров разрядной трубки (ее размеров, состава и давления рабочей смеси) ограничены несколькими работами автора изобретения. Неизвестны какие-либо теоретические исследования параметров плазмы индукционного разряда такого типа — напряженности ВЧ электрического поля, плотности плазмы, электронной температуры, плотности разрядного тока и мощности, потребляемой плазмой — и их распределения по сечению разрядной трубки.

Результаты таких исследований, экспериментальных и теоретических, могли бы составить основу для базы данных, необходимой для инженерного расчета конструктивных параметров бесферритных индукционных ламп, используемых как источники излучения (в видимом и УФ диапазоне). Поэтому теоретические исследования распределения по сечению разрядной трубки параметров плазмы бесферритной индукционной лампы и влияния на него разрядного тока, частоты ВЧ поля, размеров трубки и давления рабочей смеси имеют не только научную ценность, но и практическую значимость. Целями настоящей работы являются:

— разработка метода расчета параметров и характеристик плазмы низкого давления в бесферритных индукционных лампах, возбужденных ВЧ током индуктивной катушки, размещенной по периметру разрядной трубки;

— получение параметров плазмы таких ламп, определяющих излучательные (в видимом и ультрафиолетовом диапазоне) характеристики, необходимые для инженерного расчета конструктивных параметров разрядной трубки и их оптимизации.

Автор защищает:

— математическую модель плазмы низкого давления в индукционной бесферритной замкнутой трубчатой лампе;

— результаты расчетов параметров плазмы и их пространственного распределения, проведенных для различных частот ВЧ поля, мощностей плазмы, давлений инертного газа и диаметров разрядной трубки;

— результаты расчета баланса мощности бесферритной индукционной лампы низкого давления, проведенного для различных разрядных токов и частот ВЧ поля.

Научная новизна диссертации: впервые разработана электродинамическая модель для расчета напряженности неоднородного ВЧ электрического поля в плазме индукционной люминесцентной лампы, возбуждаемой током провода, расположенного по периметру разрядной трубки;

— впервые получено распределение напряженности ВЧ электрического поля, плотности разрядного тока по сечению разрядной трубки бесферритной индукционной лампы и обнаружено, что неоднородность распределения увеличивается с ростом частоты ВЧ поля и плотности плазмы;

— впервые для индукционных ламп, возбужденных индуктивной катушкой, размещенной по периметру разрядной трубки, разработана математическая модель индукционной плазмы, позволяющая рассчитать концентрацию электронов на оси разрядной трубки и электронную температуру;

— впервые проведен баланс мощности в плазме низкого давления индуктивных бесферритных ламп в замкнутых разрядных трубках с неоднородным по сечению трубки ВЧ электрическим полем.

Практическая значимость диссертации:

— разработанный метод расчета параметров плазмы позволяет для заданной мощности лампы оптимизировать размеры разрядной трубки, давление инертного газа и рабочую частоту;

— результаты исследований, проведенных в диссертации, используются для выбора оптимальных конструктивных параметров и внешних условий безэлектродных индукционных источников УФ излучения, разрабатываемых в ООО «СОВВ» (г. Москва);

— материалы диссертации включены в учебное пособие «Индукционные источники света» и в курсы лекций «Источники оптического излучения» и «Расчет и конструирование источников света», читаемых на кафедре «Светотехника» Московского энергетического института.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечена:

— корректным использованием математического аппарата и современных данных об электрокинетических параметрах ртутной плазмы низкого давления;

— удовлетворительным согласием результатов расчета параметров плазмы, проведенного в рамках предложенной в диссертации математической модели, с результатами расчетов, проведенных в рамках трансформаторной модели индукционного разряда.

Краткое содержание диссертации.

В Главе 1 проведен анализ литературы, посвященной исследованию индукционных разрядов низкого давления и использующих их газоразрядных источников света и ультрафиолетового излучения. Дана краткая история развития индукционных ламп низкого давления, обсуждаются их характеристики и процессы в плазме ВЧ разрядов. Установлено, что в доступной литературе нет теоретических исследований плазмы бесферитных индукционных источников света в замкнутых трубках, в которых плазма возбуждается ВЧ током провода индуктивной катушки, расположенной по периметру разрядной трубки. Экспериментальные работы ограничены двумя публикациями автора этого нового типа индукционной лампы. В заключение первой главы формулируются задачи диссертации:

— создание математической модели плазмы индукционного разряда низкого давления, возбужденного ВЧ током катушки, размещенной по периметру трубки;

— проведение в рамках модели в широком диапазоне частот ВЧ поля, давления инертного газа, разрядного тока и радиуса разрядной трубки расчетов параметров плазмы: напряженности электрического поля, плотностей тока и мощности, поглощенной плазмой, электронной температуры;

— составление и расчет баланса энергии в такой плазме для различных частот.

ВЧ поля и разрядных токов.

Во второй главе диссертации на основе уравнений Максвелла предложена и развита электродинамическая математическая модель плазмы низкого давления индукционного разряда, возбужденного неоднородным по сечению трубки ВЧ вихревым электрическим полем. Проведены расчеты пространственного распределения напряженности электрического поля, плотностей тока и мощности, поглощенной плазмой. В приближении однородного распределения концентрации электронов по сечению разрядной трубки (средняя концентрация электронов) полученное уравнение решалось аналитическидля Бесселевского распределения концентрации электронов по сечению оно решалось численным методом.

Используя рассчитанные радиальные и азимутальные распределения напряженности ВЧ поля, плотности тока и мощности, поглощенной плазмой, в диссертации были рассчитаны интегральные величины: разрядный ток 1р1 и мощность, поглощенная плазмой индукционного разряда №р1, которые показали хорошее согласие с рассчитанными в рамках трансформаторной модели.

В третьей главе предложена комплексная математическая модель плазмы индукционного разряда низкого давления в бесферритной замкнутой трубке, включающая уравнение непрерывности разрядного тока, уравнение мощности лампы и уравнения баланса мощности плазмы. При допущении Максвелловской функции распределения электронов по энергиям и в приближении ее пространственной однородности в диссертации рассчитаны для частот ВЧ поля со =106 — 107 с1 и разрядных токов /р/ = 2−8 А концентрации электронов на оси разрядной трубки пе0 и электронные температуры Т. е. Результаты расчетов оказались в хорошем согласии с измеренными в плазме лампы трансформаторного типа, имеющей такие же размеры, давление инертного газа и паров ртути и поглощенную плазмой ВЧ мощность.

Диссертантом лично предложены математические модели плазмы бесферритного индукционного разряда в бесферритных замкнутых трубках и методики расчетов параметров этой плазмы. Им же сделано обобщение полученных результатов и их интерпретация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ Основные результаты диссертационной работы следующие:

1. Разработана математическая электродинамическая модель для расчета напряженности ВЧ электрического поля в индукционной бесферритной люминесцентной лампы, возбуждаемой током индуктивной катушки, расположенной по периметру разрядной трубки.

2. В рамках разработанной в диссертации модели проведены в широком диапазоне частот ВЧ поля, разрядных токов и давлений инертного газа расчеты пространственного распределения в разрядной трубке напряженности ВЧ электрического поля, плотности разрядного тока и поглощенной плазмой мощности.

3. Расчеты показали, что напряженность ВЧ поля уменьшается с расстоянием от провода катушкиувеличение разрядного тока и частоты ВЧ поля приводит к росту пространственной неоднородности параметров плазмы и к тому, что разряд «прижимается» к стенкам трубки в месте расположения провода индуктивной катушки.

4. Радиальные распределения плотности тока и поглощенной плазмой мощности имеют максимум, который с увеличением частоты ВЧ поля и разрядного тока сдвигается к стенке в месте расположения провода катушки.

5. Разработана комплексная математическая модель индукционной плазмы низкого давления в индукционной бесферритной лампе, позволяющая рассчитать для заданных внешних условий и конструктивных параметров разрядной трубки концентрацию электронов на оси разрядной трубки и электронную температуру.

6. Составлен и рассчитан баланс мощности в плазме индуктивных безэлектродных бесферритных ламп в замкнутых разрядных трубках. Установлено, что на частотах ВЧ поля со «V он весьма близок к балансу мощности в плазме люминесцентных ламп с внутренними электродами.

7. Результаты теоретических исследований, проведенных в диссертации, использованы для нахождения оптимальных размеров разрядной трубки и давления рабочей смеси в индукционных безэлектродных бесферритных источниках ультрафиолетового излучения, разрабатываемых в ООО «СОВВ» (г. Москва).