ПЛАЗМЕННОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С СВЧ НАКАЧКОЙ
PLASMA LIGHTING FACILITY WITH MICROWAVE PUMPING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области светотехники, а более точно - к осветительному устройству с СВЧ накачкой, которое может быть использовано для освещения объектов, находящихся в неблагоприятных условиях окружающей среды, в частности, с высоким содержанием пыли или иных загрязнителей, а также в водной среде на больших глубинах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно осветительное устройство на основе безэлектродной газоразрядной лампы со сверхвысокочастотной (СВЧ) накачкой (см., например, патент на полезную модель RU 114225 U1), которое, при наличии вращения колбы газоразрядной лампы, может быть использовано для обеспечения максимально возможного срока службы основных конструктивных элементов - колбы горелки и магнетрона. Устройство возбуждения безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы содержит горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную плазмообразующим веществом, размещенную в СВЧ резонаторе с отражателем и закрепленную на валу электродвигателя, СВЧ генератор в виде магнетрона, присоединенного к СВЧ резонатору посредством волновода, генератор высокого напряжения, соединенный с катодом и нитью накала магнетрона, анод которого заземлен. За счет введения присоединенного к валу электродвигателя датчика вращения, присоединенного к корпусу магнетрона термодатчика, пороговых устройств предельной температуры колбы горелки и предельной температуры магнетрона, блока аварийного отключения и индикатора аварийного отключения, обеспечивается возможность постоянного контроля числа оборотов вала электродвигателя, наблюдения за изменениями температуры колбы, а также постоянного контроля температуры магнетрона. При любых нештатных режимах работы электродвигателя и/или перегреве магнетрона блок аварийного отключения осуществляет отключение генератора высокого напряжения с одновременным включением индикатора аварийного отключения, что обеспечивает повышение надежности работы и долговечность предлагаемого осветительного устройства в условиях затрудненного технического обслуживания.
Конструкция указанного осветительного устройства не является герметичной, что исключает возможность использования указанного устройства в агрессивных средах, а также в качестве подводного источника освещения.
В качестве ближайшего технического решения рассматривается осветительное устройство, известное из патента RU 2225659, содержащее корпус, в котором расположен магнетрон для генерации микроволновой энергии, колбу для генерации света под воздействием микроволновой энергии, волновод для соединения магнетрона и колбы и для передачи в колбу микроволной энергии, генерируемой в магнетроне, и высоковольтный генератор. Корпус герметизирован и плотно контактирует с внешней поверхностью магнетрона и высоковольтного генератора, чтобы излучать тепло, генерируемое в магнетроне. На внешней поверхности корпуса имеются штыри, которые предназначены для интенсификации отвода тепла, выделяемого внутри осветительного устройства.
Указанное осветительное устройство не является полностью герметичным, так как сетчатый экран ничем не защищен, поэтому внешняя среда может воздействовать на находящиеся внутри корпуса элементы, в том числе и находящиеся под высоким напряжением, особенно на колбу с плазмой, имеющую высокую температуру. Поэтому осветительное устройство не может быть использовано в агрессивных средах и под водой, или при высокой влажности, оно некомпактное, поэтому не может быть использовано для работы на большой глубине, т.е. при наличии большого перепада давлений. Из-за наличия штырей корпус осветительного устройства имеет очень сложную форму, достаточно трудную для изготовления, большие габариты в поперечном направлении, что также препятствует его использованию в водных средах на больших глубинах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания плазменного осветительного устройства, которое имеет компактную герметичную конструкцию, обеспечивающую улучшенный отвод тепла, увеличенный срок службы, что позволяет работать при различных условиях окружающей среды, а также в экстремальных условиях, т.е. в водной среде на большой глубине или при разрежении.
Поставленная задача решена посредством создания плазменного осветительного устройства с СВЧ накачкой, которое содержит
герметичный корпус, снабженный крышкой с отверстием, в котором вдоль оси размещены магнетрон и источник питания, обеспечивающий подачу энергии на магнетрон,
СВЧ резонатор, размещенный соосно с корпусом и имеющий светопрозрачные боковую и торцевую стенки и светоотражающее дно, установленное в отверстии в крышке корпуса, и
безэлектродную плазменную лампу, установленную в СВЧ резонаторе в области пучности колебаний с возможностью вращения на опорном стержне, закрепленном другим концом на валу привода и ось которого соосна оси корпуса,
коаксиальную линию связи, проходящую параллельно оси корпуса и обеспечивающую передачу СВЧ энергии от магнетрона к СВЧ резонатору, и имеющую петлю связи на конце, расположенном в СВЧ резонаторе,
при этом осветительное устройство содержит множество теплоотводов, расположенных на внутренних стенках корпуса и обеспечивающих теплопередачу от размещенных в корпусе магнетрона и источника питания, генерирующих тепло, через стенку корпуса во внешнюю среду,
светопрозрачный герметичный полый цилиндр, установленный соосно и герметично на крышке корпуса поверх СВЧ резонатора и предназначенный для защиты СВЧ резонатора от воздействия окружающей среды.
Целесообразно, чтобы осветительное устройство дополнительно содержало датчик вращения, установленный в непосредственной близости от закрепленного конца опорного стержня и предназначенный для индикации наличия вращения безэлектродной плазменной лампы по вращению опорного стержня, и блок управления, установленный в герметичном корпусе и обеспечивающий синхронную работу блока питания, магнетрона и привода опорного стержня.
Целесообразно, чтобы магнетрон, блок управления и привод опорного стержня безэлектродной плазменной лампы были закреплены в корпусе на шасси.
Целесообразно, для обеспечения использования устройства на глубине, чтобы корпус имел форму цилиндра, при этом ось магнетрона и ось источника питания были параллельны оси корпуса.
Целесообразно, чтобы корпус имел форму сферы, при этом ось магнетрона и ось источника питания были параллельны оси корпуса.
Целесообразно, чтобы корпус имел форму сферы, при этом ось магнетрона и ось источника питания были перпендикулярны оси корпуса.
Целесообразно, чтобы привод, обеспечивающий вращение опорного стержня, был установлен в корпусе соосно с корпусом.
Целесообразно, чтобы форма дна резонатора была плоской. Или параболической, или сферической.
Целесообразно, чтобы осветительное устройство дополнительно содержало средство охлаждения, установленное в корпусе.
Целесообразно, чтобы средство охлаждения было выполнено в виде вентилятора.
Целесообразно, чтобы осветительное устройство дополнительно содержало радиатор, выполненный в виде ребер, установленных на внешней цилиндрической поверхности корпуса.
Предложенное плазменное осветительное устройство имеет компактную герметичную конструкцию, обеспечивающую улучшенный отвод тепла, увеличенный срок службы, что позволяет работать при различных условиях окружающей среды, а также в экстремальных условиях, т.е. в водной среде на большой глубине или при разрежении. Корпус осветительного устройства имеет простую конструкцию, легкую для изготовления, небольшие габариты в поперечном направлении, особенно в случае, когда корпус имеет форму цилиндра, что также облегчает использование устройства в водных средах на больших глубинах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает схематично плазменное осветительное устройство, продольный разрез, в котором корпус выполнен цилиндрическим, а рефлектор - параболическим, согласно изобретению;
Фиг. 2 изображает схематично плазменное осветительное устройство, продольный разрез, в котором корпус выполнен цилиндрическим, а рефлектор выполнен коническим, согласно изобретению;
Фиг. 3 изображает схематично плазменное осветительное устройство, продольный разрез, в котором корпус выполнен сферическим, согласно изобретению;
Фиг. 4 изображает вид А на Фиг. 1, где показан датчик вращения для определения вращения безэлектродной плазменной лампы по вращению опорного стержня, согласно изобретению;
Фиг. 5 изображает схематично плазменное осветительное устройство, продольный разрез, на корпусе которого расположены ребра для съема тепла, согласно изобретению;
Фиг. 6 изображает разрез по линии YI-YI на Фиг. 5, согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Плазменное осветительное устройство 1 (Фиг. 1) с СВЧ накачкой содержит герметичный корпус 2, снабженный крышкой 3 с отверстием 4. В корпусе 2 вдоль оси 0-0 размещены магнетрон 5 и источник 6 питания, обеспечивающий подачу энергии на магнетрон 5.
В отверстии 4 в крышке 3 корпуса 2 соосно с корпусом размещен СВЧ резонатор 7, имеющий светопрозрачные боковую 8 и торцевую 9 стенки и светоотражающее дно 10.
Осветительное устройство 1 содержит безэлектродную плазменную лампу 11, установленную в СВЧ резонаторе 7 в области пучности колебаний с возможностью вращения на опорном стержне 12, закрепленном другим концом на валу 13 привода 14 и ось которого соосна оси 0-0 корпуса 2. Колба лампы 11 заполнена плазмообразующими веществами, испускающими свет под воздействием СВЧ энергии.
Коаксиальная линия 15 связи проходит параллельно оси 0-0 корпуса 2 и обеспечивает передачу СВЧ энергии от магнетрона 5 к СВЧ резонатору 7. Коаксиальная линия 15 связи имеет петлю 16 связи на конце, расположенном в СВЧ резонаторе 7. Другой конец коаксиальной линии 15 связан с магнетроном 5 с помощью упругой цанги 17.
В описываемом варианте воплощения корпус 2 имеет форму цилиндра.
Использование коаксиальной линии 15 для передачи СВЧ энергии от магнетрона 5 к светопрозрачному СВЧ резонатору 7 позволяет все элементы осветительного устройства 1 компактно разместить в цилиндрическом корпусе 2, который с торца герметично закрыт фланцем 18 с помощью уплотнителей 19.
Электрическое питание к осветительному устройству 1 передается с помощью кабеля 20, ввод которого через фланец 18 герметизирован уплотнителем 21.
Герметичность крышки 3 корпуса 2 обеспечивается уплотнителями 22, а связь между блоком 6 питания, магнетроном 5 и приводом 14 обеспечивается кабелями 23 и 24.
С внешней стороны с помощью переходного фланца 25 к корпусу 2 прикреплен рефлектор 26, закрытый защитным стеклом 27. В описываемом варианте рефлектор 26 выполнен параболическим.
Возможен вариант, в котором рефлектор 26 имеет форму конуса (Фиг. 2), такая форма требуется, когда надо осветить большие площади. В случае использования конического светоотражателя форма дна резонатора может быть плоской, параболической или сферической.
Безэлектродная плазменная лампа 11 (Фиг. 1) размещена в фокусе параболического рефлектора 26, причем светоотражающий торец СВЧ резонатора 7 с петлей 16 связи имеет светоотражающее покрытие 28 и выполнен с определенной кривизной, в частности, в виде части параболы с тем же фокусом, что и у параболического рефлектора 26.
Осветительное устройство 1 содержит множество теплоотводов 29, закрепленных на внутренних стенках корпуса 2 и обеспечивающих теплопередачу от размещенных в корпусе 2 магнетрона 5, источника 6 питания и других генерирующих тепло элементов, через стенку и фланец 18 корпуса 2 во внешнюю среду.
Светопрозрачный полый герметичный цилиндр 30 установлен соосно и герметично на крышке 3 корпуса 2 поверх СВЧ резонатора 7 и предназначен для защиты СВЧ резонатора 7 от воздействия окружающей среды.
В случае, когда корпус 2 имеет форму цилиндра, ось а-а магнетрона 5 и ось с-с источника 6 питания параллельны оси 0-0 корпуса.
Важной особенностью компоновки данного осветительного устройства 1 является использование коаксиальной линии 15 с петлей 16 связи на входе в СВЧ резонатор 7 для передачи СВЧ энергии от магнетрона 5 к СВЧ резонатору 7. Эта особенность позволяет скомпоновать конструкцию осветительного устройства 1 в виде цилиндра сравнительно малого диаметра, который относительно легко герметизируется.
Возможен вариант, в котором корпус 2 имеет приблизительно форму сферы (Фиг. 3), при этом ось а-а магнетрона 5 и ось с-с источника 6 питания параллельны оси 0-0 корпуса 2.
Возможен вариант, когда корпус 2 имеет форму сферы, при этом ось магнетрона 5 и ось источника 6 питания перпендикулярны оси 0-0 корпуса 2 (не показано).
Описанное выше конструктивное исполнение осветительного устройства позволяет его использовать на значительных глубинах под водой, так как цилиндрический или сферический корпус может воспринимать сравнительно высокие внешние давления, что не достигается ни одним из известных осветительных устройств на базе безэлектродных плазменных ламп с СВЧ накачкой.
Осветительное устройство 1 дополнительно содержит датчик 31 вращения, установленный в непосредственной близости от закрепленного конца опорного стержня 12 (Фиг. 4) и предназначенный для индикации вращения безэлектродной плазменной лампы 11 по вращению опорного стержня 12.
Осветительное устройство 1 содержит также блок 32 (Фиг. 1) управления, установленный в герметичном корпусе 2 и обеспечивающий синхронную работу блока 6 питания, магнетрона 5 и привода 14 опорного стержня 12.
Осветительное устройство 1 дополнительно содержит средство 33 охлаждения, установленное в корпусе 2 (Фиг. 5), в описываемом варианте в качестве средства 33 охлаждения использован вентилятор, установленный вдоль оси 0-0 корпуса 2 под блоком 6 питания.
Возможен вариант, когда осветительное устройство 1 дополнительно содержит радиатор 34, содержащий ребра 35 на внешней цилиндрической поверхности корпуса 2 вдоль всей длины корпуса 2 или только вдоль части длины, как показано (Фиг. 5). Это необходимо в случае использования осветительного устройства 1 в воздушной среде, где теплопередача от корпуса к окружающей среде существенно меньше, чем в воде.
Компоненты устройства 1 включая магнетрон 5, блок 32 управления, привод 14 установлены в корпусе на шасси 36.
Работа плазменного осветительного устройства осуществляется следующим образом.
Осуществляют подачу питания на блок 32 (Фиг. 1) управления и блок 6 питания, который генерирует необходимые для возбуждения магнетрона 5 ток и напряжение. Магнетрон 5 генерирует СВЧ колебания, передающиеся по коаксиальной линии 15 в СВЧ резонатор 7. Оптимальные условия работы магнетрона 5 обеспечивают благодаря подбору связи, что достигается соответствующими размерами петли 16 связи.
Напряжение на электродвигатель 14 вращения безэлектродной плазменной лампы 11 подается с некоторым опережением по сравнению с подачей напряжения на блок 6 питания.
Под влиянием СВЧ поля в безэлектродной плазменной лампе 11, находящейся в пучности СВЧ поля резонатора 7, происходит разогрев стартового газа, что способствует образованию паров рабочего вещества, например серы или селена. Пары рабочего вещества ионизируются и излучают свет, спектр излучения которого зависит от состава паров.
Если устройство 1 используют под водой, вначале это устройство 1 с помощью троса опускают на заданную глубину, после чего по кабелю с базового судна (не показано) подают питание на блок 32 управления и блок 6 питания.
Во время работы устройства 1 происходит нагрев блока 6 питания и магнетрона 5, при этом выделяется тепло. Благодаря тому что коэффициенты теплопередачи от стенки корпуса 2 в воду весьма значительны, все тепло от внутренних источников тепла, т.е. магнетрона 5 и блока 6 питания, передается по теплопроводам 29 на стенки корпуса 2 и легко передается во внешнюю среду. Кроме того, поскольку блок 6 питания установлен на фланце 18 корпуса, то выделяемое тепло отводится в окружающую среду также и через фланец 18.
Перегрев устройства 1 практически исключен.
Внутри корпуса 2 на каждом из источников тепла, т.е. на магнетроне 5, источнике 6 питания для магнетрона, приводе 14 установлены датчики температуры (не показаны), сигнал с которых подается на блок 32 управления. При превышении заданной температуры на любом из блоков питание отключают.
Кроме того, питание магнетрона 5 отключают и в случае, если по каким-либо причинам привод 14 остановился и прекратилось вращение опорного стержня 12, о чем сигнализирует датчик 31 вращения. Опорный стержень 12 имеет скошенный конец 37, на конец 37 стержня подают световой луч, отраженный луч попадает на светоприемник 38, и при вращении регистрируют пульсирующий сигнал. Наличие пульсаций свидетельствует о том, что безэлектродная плазменная лампа 11 вращается. При вращении происходит охлаждение лампы 11. Если пульсирующий сигнал отсутствует, то блок 32 управления отключает питание.
Таким образом, в блоке управления предусмотрено три режима работы, т.е. когда нет нагрузки, когда нагрузка расчетная и режим короткого замыкания.
Следует отметить, что с целью разгрузки рефлектора 26 от давления воды, внутренний объем рефлектора 26 также заполняют водой, а безэлектродная плазменная лампа 11 с СВЧ резонатором 7 и внутренний объем устройства 1 защищены от проникновения воды светопрозрачным герметичным цилиндром 30, например, из кварца.
Если устройство 1 предназначено для работы в газовой или воздушной среде, для интенсификации теплоотдачи во внешнюю среду служат ребра 35 (Фиг. 5) радиатора 34 на внешней поверхности корпуса 2, и дополнительно вентилятор 33, обеспечивающий поток воздуха, омывающий ребра 35.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предложенное осветительное устройство с СВЧ накачкой может быть использовано для освещения объектов, находящихся в неблагоприятных условиях окружающей среды, в частности, с высоким содержанием пыли или иных загрязнителей, а также в водной среде на больших глубинах.