43 ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - Страница 6

Э.И. Соколовский, Е.В. Тинина

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КАТОДА РАЗРЯДНИКА В ЦИКЛИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

 

Представлены результаты исследования теплового режима разрядника, работающего в циклическом режиме. По результатам экспериментальных и расчетных данных проведена оценка энергетической нагрузки катодной поверхности.

 

В связи с увеличением электрических мощностей, коммутируемых разрядниками при одновременном уменьшении габаритов разрядников, все большее значение приобретает анализ теплового режима электродов этих приборов. От особенностей теплового режима зависят надежность работы прибора и их срок службы. Анализ теплового режима осложнен отсутствием достоверных данных по энерговыделению в малогабаритных газоразрядных приборах и распределению тепловых источников по поверхности электродов.

В данной работе рассматривается возможность оценить параметры энерговыделения по поверхности катода путем экспериментальных исследований теплового режима.

Исследование температурного режима проводилось на миниатюрном металлокерамическом разряднике, конструкция которого детально описана в работе [1] (рис.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Конструкция экспериментального разрядника

 

Расстояние между катодом и анодом составляло 2 мм. Радиус рабочей поверхности электродов r0 = 3 мм. В качестве материала электродов используется сплав 42 НА-ВИ. Основные теплофизические характеристики сплава: коэффициент теплопроводности λ = 12... 16 Вт/(м·град), плотность γ = 8,2 г/см3, удельная теплоемкость с = 0,5 Дж/(г·град), температура плавления Тпл = 1450 °С. Эти данные являются типичными для вакуумных материалов со средней тугоплавкостью (никель, железо и сплавы на их основе). Толщина  электродов  0,6 мм. Разрядник  наполняется  смесью  Аr +   +10 % Н2 до давления 50 мм рт.ст.

Исследования проводились в обычном для данных разрядников электрическом режиме при разряде накопительной емкости. Амплитуда коммутируемого тока составляла 50 А.

Для измерения температуры на поверхности электродов методом точечной сварки крепились термопары из сплавов хромель − алюмель. Места приварки термопар показаны на рис.1. Цифрами обозначены положения термопар: 1 − на аноде; 2,3,4 − на катоде. Термопары 1 и 2 располагались на оси прибора; 3 - на расстоянии r0/2 от центра, 4 − на расстоянии r0 (на краю катодного диска). Величина термо-ЭДС регистрировалась специально проградуированным микроамперметром. Как показали предварительные измерения, время стабилизации теплового режима составляло примерно 5 минут. Все основные исследования проводились по истечении этого времени.

Сопоставление теплового режима анода и катода показало, что в данном приборе разность температуры в наиболее нагретых точках анода и катода составляет 10 °С, что соответствует типичным условиям стационарных дуговых разрядов.

Распределение температуры по внешней стороне катода показано на рис.2.

Рис.2. Распределение температуры по внешней стороне катода

 

Данные получены при частоте следования импульсов 1 Гц и температуре окружающей среды Ts = 20 °С. При уменьшении частоты температура на краю катодного диска (r = r0) приобретала значение, почти совпадающее с температурой окружающей среды, что затрудняло последующую оценку условий теплового баланса. Повышение частоты приводило к росту температуры в этой точке до значений, при которых в тепловом балансе катода значительная часть отводимой мощности обусловлена рассеиванием тепла поверхностью оболочки, что также было нежелательным при количественном анализе тепловых процессов.

Как видно из графика, распределение температуры по радиусу соответствует примерно линейной зависимости:

,                           (1)

где Тm − температура в центральной части (r = 0); Т0 − температура на краю (r =r0).

Линейный характер зависимости температуры от радиуса существенно облегчает оценку теплоотвода с внешней стороны поверхности катода.В соответствии с общими закономерностями конвективного теплообмена [2] теплоотвод от элементарного участка радиусом r и шириной dr (рис.3) определяется:

,                                   (2)

где  − коэффициент теплоотдачи; - температура окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема решения задачи для определения отводимой от поверхности

катода мощности

 

Интегрируя уравнение (2) в пределах от r = 0 до r = r0 , получаем выражение для расчета мощности, отводимой от всего катодного диска:

.                                     (3)

Коэффициент теплоотдачи при свободно-конвективном теплоотводе от деталей малого размера 10 Вт/(м2·град) [3]. Подставляя численные значения, полученные в результате измерений (Tm = 55 °С,  Т0 = 25 °С, Ts = 20 oС ),  находим Р0 = 4,24 мВт.

В условиях теплового баланса в установившемся режиме отводимая мощность равна подводимой. Величину подводимой мощности можно оценить на основе расчетных соотношений, описывающих процесс разряда накопительной емкости через газоразрядный промежуток.

Разрядный контур состоит из последовательно соединенных активного сопротивления R, разрядника Р и конденсатора С, заряженного до напряжения U0. Уравнение баланса напряжений в цепи в некоторый момент времени имеет вид:

,                                          (4)

где I − ток разряда конденсатора; Ug − напряжение поддержания разряда на разряднике.

После умножения обеих частей уравнения (4) на Idt получаем уравнение, описывающее баланс энергии в любой момент времени:

.                                       (5)

 

Обозначим через tp время горения разряда в приборе и проинтегрируем уравнение (5):

.                                     (6)

В данном выражении левая часть представляет энергию Wс, накопленную в конденсаторе и поступающую в контур при его разряде. В правой части первое слагаемое определяет энергию, потраченную на резистивный нагрев, второе − потерю энергии Wg на  объеме разрядника.

Из законов электростатики имеем:

 

.                                           (7)

 

В процессе разряда конденсатора ток изменяется от максимального I0 по экспоненциальному закону:

,                                                (8)

где ; − постоянная времени цепи разряда конденсатора;  − эквивалентное сопротивление дуги в разряднике.

Используя выражения (7) и (8), из (6) находим:

 

.                       (9)

 

В приближенном рассмотрении можно не учитывать долю энергии, остающуюся в конденсаторе на момент погасания разряда, ввиду малой ее величины.

Проинтегрировав (9), получим формулу для энергии дуги, выделившейся при одном цикле коммутации разрядника:

 

.      (10)

 

В работе [1] для разрядников  получена вольт-амперная  характеристика, представленная на рис.4, по которой в области малых токов можно найти эквивалентное сопротивление   = 0,55 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Типичная вольт-амперная характеристика для разрядников

 

В   условиях   эксперимента:   R = 24 Ом,  С = 1·10-6 Ф,  U0 = 1200 В,  f = Гц. Таким образом, из формулы (10) находим:

Дж.

На электродах выделяется порядка  80 % от данной мощности, т.е. 0,0136 Вт, и распределяется практически поровну между катодом и анодом. Поэтому для мощности, выделяющейся на катоде, будем иметь приблизительное значение Рк=6,8·10-3 Вт, что удовлетворительно согласуется с результатами температурных измерений (4,8 мВт). Некоторое расхождение связано с тем, что при анализе теплового режима катода и расчете Р2 не учитывались излучения с поверхности катода, неравномерность прогрева катода по толщине и теплоотвод оболочкой.

 

 

 

 

 


Библиографический список

1. Киселев Ю.В. Исследование электрических характеристик коротких разрядных промежутков среднего и высокого давления и разработка искровых разрядников // Дисс. на соиск. уч. степени д-ра техн. наук Рязань, 1981. 369 с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.

3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.

 

Материал поступил в редколлегию 1.02.02

 

УДК 621.385.624