Лучистый нагрев. ИК - нагрев

Этот метод высокой эффективностью, надёжностью, универсальностью и нашёл чрезвычайно широкое применение в том числе и при производстве ИЭТ.

Преимущества ИК – нагрева:

- низкая инерционность;

-стабильность режима нагрева;

-высокая удельная мощность (до 400 кВт/м²);

-возможность локального нагрева (1-1,5 мм²);

-высокая селективность;

-высокая прецезионность;

-высокая чистота процесса;

-возможность автоматизации и контроля.

ИК - излучение является частью оптического (э/магнитного) излучения и занимает диапазон от 0,76 до 1000 мкм.

Источники ИК – излучения делятся на светлые и тёмные, либо на резистивные и газоразрядные. Для резистивных источников используются:

1) сплав ОХ27Ю5А, температура нагрева 1300°С, λ_мах = 1,83 мкм, наработка на отказ 2000-7000 ч;

2) силитовые стержни, температура нагрева 1400°С, λ_мах = 1,72 мкм, наработка на отказ 1500-2000 ч;

3) стержни из МоSi₂ , температура нагрева 1650°С, λ_мах = 1,54 мкм, наработка на отказ 1500-2000 ч;

4) кварцевые галогенные лампы, температура нагрева 3000°С, λ_мах = 1,1 мкм, наработка на отказ 1500-2000 ч, мощность 0,05-20 кВт.

В качестве газоразрядных источников используются дуговые лампы ( температура нагрева 6000°С, λ_мах = 0,6 мкм, время наработки на отказ 10мин – десятки часов, мощность 15-20 кВт) и ксеноновые лампы ( температура нагрева 6000°С, λ_мах = 0,6 мкм, наработка на отказ 300-2000 ч, мощность 0,8-20 кВт).

Кварцевые галогенные лампы накаливания (ГЛН) являются наиболее перспективными ИК – излучателями, т.к. конструктивные и эксплуатационные качества этих ламп в десятки раз лучше, чем у излучателей других типов. Появление кварцевых галогенных ламп накаливания (ГЛН) явилось большим прогрессом в области тепловых источников света. Впервые предложены в 1959 г. в ЮАР. Они являются высокоинтенсивными источниками излучения (с малыми габаритными размерами), благодаря чему нашли широкое применение во многих областях науки, техники и быта. Имеется много примеров того, как использование ГЛН позволило найти принципиально новые технические решения многих интересных задач, которые ранее либо вовсе были невозможны, либо не давали должного эффекта.

В группу линейных галогенных ламп входят лампы, предназначенные для общего специального освещения, для нагрева, сушки, использования в репродукционной технике и для других технологических целей. Общими признаками ламп этой группы являются линейная конструкция, оболочка в виде длинной кварцевой трубки и двустороннее софитное расположение токовых вводов. На рис.3.4 представлен чертеж лампы КГ 220-500.

L – длина лампы – 132 мм. , D – внешний диаметр колбы – 11 мм.

Рисунок 3.4 – Кварцевая галогенная лампа типа КГ 220-500.

В основу работы кварцевой галогенной лампы положен т.н. регенеративный галогенный цикл (рис.3.5):

W+nX WXn, (3.2)

где X – атом галогена (J, Br,Cl).

T<300°C

T>1600°C

Термодинамическое равновесие реакции может сдвигаться или вправо или влево. При Т>300°С и Т<1200°С йод соединяется с W, осевшим на стенке. Это соединение при Т>250-300°С переходит в газообразное состояние. Диффундируя и попадая в зону накала молекулы диссоциируют на W I₂. Частицы W осаждаются на нити накала, а высвободившиеся атомы I₂ диффундируют в зону с более низкой температурой и на стенках колбы соединяются с W и т.д.

Рисунок 3.5 – Сечение ГЛН

Температура нити составляет 2800°С, длина волны излучения λ_мах = 1мкм, время наработки на отказ до 5000 ч.

Под вольфрамо-галогенными циклами понимают комплекс химических реакции (процессов), в результате которых частицы вольфрама, испарившиеся с нагретой до высокой температуры поверхности тела накала, перемещаются с помощью галогенов в обратном направлении— из области более низких в область более высоких температур. Назначение таких циклов — предотвращать почернение оболочки испарившимся с тела накала вольфрамом, сохранять ее чистой, светлой, прозрачной на протяжении всего срока службы ламп. Поскольку, наряду с вольфрамо-галогенным циклом вынужденно создаются благоприятные условия для протекания других посторонних циклов, основной задачей является создание таких конструкции ламп, в которых максимально предотвращалось бы вредное воздействие посторонних циклов. Иногда вольфрамо-галогенный цикл называют регенеративным: возвращая испарившийся вольфрам назад на тело накала, он как бы «регенерирует» его. Но в действительности он не является таковым, поскольку не способен и не может восстанавливать полностью тело накала в его первоначальном виде. Частицы вольфрама испаряются с одних участков и оседают на другие. Особенно интенсивно испарение происходит с более горячих участков тела накала, образующихся как в результате неравномерного распределения температуры вдоль тела накала из-за охлаждающего действия токовых вводов и поддержек (крючков), так и вследствие отдельных локальных дефектов (например, дефекта диаметра) нити. Галогенный цикл не в состоянии «залечивать» такие дефектные участки вольфрамовой проволоки. Конечно, желательно иметь тела накала, у которых по всей длине температура была бы одинаковой. В этом случае и испарение и обратное оседание вольфрама были бы практически одинаковыми по всей длине. Однако это невозможно реализовать. «Горячие» точки на поверхности тела накала так и остаются «горячими». Более того, в процессе срока службы относительное превышение их температуры по сравнению с другими участками тела накала может все более и более усиливаться. Таким образом, в процессе работы ламп лишь утоньшается в одних местах и утолщается в других; но благодаря галогенному циклу общая масса вольфрамового тела накала остается практически постоянной. Если в обычных лампах накаливания критическая потерн массы тел накала может служить каким-то критерием срока службы источников света, то в галогенных лампах, как следует из изложенного, этот «фактор» теряет смысл. На срок службы влияет не общее количество испаряющегося вольфрама, или критическая потеря массы тела накала, а температурное поле тела накала, испарение и возврат вольфрама на отдельные участки спирали.

Вольфрамо-галогенные циклы возможны при использовании в качестве транспортирующего средства (переносчика) любого из четырех галогенов — йода, брома, хлора, фтора — и проходят, в принципе, по одинаковой схеме. При низкой температуре на стенках оболочки испарившийся вольфрам и галоген образуют химическое вольфрамо-галогенное соединение— галогенид. При определенной температуре это газообразное соединение улетучивается и из-за повышенной концентрации вблизи стенки диффундирует в направлении к раскаленному телу накала. Здесь галогениды диссоциируют на исходные составные части — вольфрам, который оседает на тело накала, и галоген, который в свободном виде движется и обратном направлении к стенке оболочки для соединения с новой порцией вольфрама. При установившемся процессе в лампе атомы вольфрама могут вообще не достигать стенок оболочки, а соединяться с галогеном в непосредственной близости от нее; тогда почернение оболочки исключается. Но галогенид, разумеется, может образоваться и на самой стенке оболочки. Однако одновременно с ростом интенсивности цикла растет опасность разрушения более холодных частей тела накала и держателей. Поэтому выбор галогена, а так же его концентрации является сложной задачей, связанной как со сроком службы тела накала и предотвращения разрушения более холодных участков металлических деталей лампы, так и с обеспечением устойчивого процесса протекания указанных химических реакций. Вольфрамо-галогенные циклы могут быть получены и при использовании не чистых галогенов, а их соединений. Это в основном связано с токсичностью и агрессивностью используемых галогенов, а так же технологическими трудностями их введения в лампу и дозировки. Экспериментально были найдены наиболее удобные соединения на основе водорода (HI, HBr, HC1) и галогенно-углеводородные (СН_nХ_n). В настоящее время нашли широкое применение в производстве галогенных ламп бромистый метил (СН₃Вг) и бромидный метилен (СН₂Вг₂).

Для эффективной работы ламп применяются цилиндрические, параболические, эллиптические и горизонтальные рефлекторы. Поверхность рефлекторов покрывается слоем меди, серебра, алюминия или золота. Охлаждение колб ламп осуществляется водой или струей воздуха.