Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ геометрических задач и методов проектирования отражающих поверхностей технологического назначения 9
1.1. Анализ особенностей проектирования и эксплуатации систем направленного облучения 9
1.2. Методы проектирования световых приборов 17
1.3. Геометрическое моделирование кривых и поверхностей по заданным параметрам 26
ГЛАВА 2. Проектирование эффективных рефлекторов технологического назначения 38
2.1. Общая постановка задачи 38
2.2. Проектирование рефлекторов для равномерного распределения энергии 43
2.2.1. Рефлектор с поперечным сечением в виде кусочно-линейной функции 44
2.2.2. Рефлектор, профильная линия которого включает два параболических сегмента 50
2.2.3. Эллиптический рефлектор, профильная линия которого включает дополнительные линейные элементы. 56
2.3. Проектирования фокусирующих рефлекторов 63
2.3.1. Составной эллиптический рефлектор с дополнительными отражающими поверхностями 63
2.3.2. Составной параболический рефлектор с дополнительными отражающими плоскостями 68
2.4. Проектирование рефлекторов по заданному распределению энергии 71
2.4.1. Рефлектор для заданной функции распределения облученности 71
2.4.2. Рефлектор для заданного линейного пучка отраженных лучей 77
2.4.3. Рефлектор для заданного квадратичного пучка отраженных лучей 79
ГЛАВА 3. Проектирование рефлектора для системы направленного облучения 83
3.1. Программа автоматизированного проектирования эффективных рефлекторов технологического назначения 83
3.2. Рефлектор блока УФ-отверждения 85
3.3. Применение разработанных моделей для расчета геометрических параметров рефлектора экспонирующего устройства NUVA-W200 90
Заключение 99
Список литературы
- Методы проектирования световых приборов
- Рефлектор, профильная линия которого включает два параболических сегмента
- Составной параболический рефлектор с дополнительными отражающими плоскостями
- Рефлектор блока УФ-отверждения
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В случае, когда источник энергии значительно удален от облучаемой
поверхности, прямое излучение распределяется практически равномерно,
однако, когда размеры облучаемой поверхности сопоставимы с высотой
положения источника, возникает ярко выраженная неравномерность
распределения энергии. Формирование необходимого распределения
облученности в этом случае требует специальных конструкторских решений.
В настоящее время проектирование систем направленного облучения
ведется на основе методов, в которых решается плоская задача формирования
поперечного сечения поверхности рефлектора, позволяющего получить
близкое к заданному распределение облученности, для определенных
характеристик источника излучения и облучаемой поверхности. Однако
назначение условий эксплуатации вызывает необходимость решения
технических задач, связанных не только с расчетом геометрических
параметров рефлектора, но и с определением рационального размера
облучаемой поверхности, а также положения элементов оптической системы в
пространстве. С одной стороны, для заданных условий эксплуатации
необходимо выбрать наиболее эффективную конструкцию: определить
рациональное соотношение высоты положения источника излучения и
размеров облучаемой поверхности, выбрать форму отражателя. С другой –
необходимо подобрать наиболее эффективные геометрические параметры
рефлектора, такие как размеры и положение отражающих элементов, которые
позволят получить распределение облучения максимально близкое к
заданному. Таким образом, при проектировании и выборе эффективных
геометрических параметров отражающих поверхностей необходим системный
подход, позволяющий оценить различные варианты в соответствии с
заданными условиями. Поэтому актуальным является создание моделей,
позволяющих модифицировать приборы для переменных условий
эксплуатации.
Объект исследования. Геометрические модели отражающих
поверхностей.
Предмет исследования. Геометрические модели и алгоритмы
проектирования отражающих поверхностей технологического назначения.
Цель исследования. Совершенствование и разработка новых моделей и
алгоритмов проектирования отражающих поверхностей технологического
назначения.
Задачи исследования:
разработать геометрические модели рефлекторов технологического назначения, позволяющие повысить концентрацию излучения источника на облучаемом участке, обеспечивающие равномерную облученность, исключающие отражение излучения на поверхность источника, имеющие возможность модификации или трансформации;
разработать алгоритмы проектирования рефлекторов предложенных моделей;
разработать алгоритмы определения эффективных геометрических параметров рефлекторов предложенных моделей, которые, при заданных ограничениях, позволят максимально концентрировать излучение на облучаемом участке и сократить скачки облученности;
разработать программу для автоматизированного проектирования эффективных отражающих поверхностей технологического назначения;
исследовать эффективность разработанных моделей методом численного эксперимента.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены на основе методов геометрической оптики и инженерной геометрии, аналитической и дифференциальной геометрии. В процессе исследования использованы методы математического моделирования, численного эксперимента и компьютерной графики в среде математического процессора Mathcad. Поиск эффективных геометрических параметров основан на методе покоординатного спуска.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны геометрические модели рефлекторов технологического
назначения, позволяющие выровнять распределение энергии, повысить
интенсивность облучения, увеличить срок службы оборудования, а также
трансформировать конструкцию. Предложенные модели отличаются тем, что
позволяют повысить интенсивность и сократить скачки облученности за счет
специального расположения элементов и формы поперечного сечения, а также
увеличить рабочее время лампы за счет перенаправления энергии в обход колбы.
-
Разработаны геометрические модели составной конструкции, использование которых предоставляет возможность упростить производство рефлекторов и создать систему регулировок для переменных условий эксплуатации.
-
Разработаны алгоритмы поиска эффективных геометрических параметров профилей отражателей предложенных моделей, которые позволяют определить значения размеров и положение элементов оптической системы,
обеспечивающие максимальную концентрацию и равномерность облучения в соответствии с заданными параметрами.
Практическая значимость и внедрение.
Результаты исследований диссертационной работы были использованы на предприятии ООО «Полиграф» при расчете геометрических параметров рефлектора для экспонирующего узла GEW NUVA печатной машины Gallus EM-410; в учебной деятельности ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» в качестве методических и демонстрационных материалов.
На основе предложенных алгоритмов была разработана и зарегистрирована в официальном реестре программ для ЭВМ ФИПС программа для автоматизированного проектирования эффективных отражающих поверхностей специального назначения (№2016661910 от 25.10.2016).
Апробация результатов исследования. Результаты исследований докладывались на XI межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Молодежь, наука, творчество» (г. Омск, 2013 г.); V международном фестивале искусства и дизайна «Формула моды: Восток-Запад», (г. Омск, 2013 г.); III научно-технической конференции аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи профильных предприятий и организаций, учащихся старших классов «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства», (г. Омск, 2013 г.); IV научно-технической конференции аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи профильных предприятий и организаций, учащихся старших классов «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства», (г. Омск, 2013 г.); XII межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Молодежь, наука, творчество» (г. Омск, 2014 г.); V заочной научно-практической конференции с международным участием «Полиграфия: технология, оборудование, материалы» (Омск, 2014 г.); V региональной молодежной научно-практической конференции «Омский регион – месторождение возможностей» (Омск, 2014 г.); Х международной IEEE научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2016 г.). Работа была поддержана Грантом «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» «УМНИК 2014».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Геометрические модели рефлекторов технологического назначения для равномерного облучения и фокусировки энергии.
-
Алгоритмы проектирования рефлекторов предложенных моделей.
-
Алгоритмы поиска эффективных геометрических параметров профилей рефлекторов предложенных моделей.
4. Программа для автоматизированного проектирования эффективных отражающих поверхностей технологического назначения.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, из них 4 – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, 3 глав, основных результатов и выводов, заключения и библиографического списка литературы. Общий объем составляет 114 страниц, 58 рисунков. Библиографический список включает 110 наименований, в том числе 6 иностранных.
Методы проектирования световых приборов
Повышение эффективности использования энергетических ресурсов является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Применение высокоэффективных светооптических систем позволяет заметно снизить энергопотребление, таким образом, проектирование световых приборов является актуальной задачей современной светотехнической промышленности. Параметры оптической системы и источника излучения в значительной степени определяют форму и размеры светового прибора [11, 72-76]. В свою очередь, эти характеристики определяются областью применения системы.
Для обеспечения освещенности 1 лк на объекте, удаленном на расстояние 1 км потребуется сила света 106 кд. Задачу можно решить, используя 100 ламп, мощностью 110 кВт (без учета поглощения и рассеяния светового потока в воздухе) или светооптическую систему, включающую только одну лампу и рефлектор. Подобная оптическая система создает увеличенное изображение источника излучения, яркость этого изображения равна яркости источника света, умноженной на коэффициент потери света при отражении и поглощении элементами конструкции [98]. Максимально возможную концентрацию энергии на поверхности облучаемого объекта может обеспечить зеркальный отражатель эллипсоидной формы (Рисунок 12), в один из фокусов F1 которого помещен равнояркий источник излучения. Пересечение всех фокальных лучей F1М после отражения в точке второго фокуса F2 позволяет создать действительное оптическое изображение, таким образом из точки второго фокуса весь отражатель виден полностью светлым с яркостью Lcт p.
Эллипсоидный зеркальный отражатель: а) поперечное сечение, б) светящая поверхность, видимая из точки F2 Освещенность поверхности Е (лк), расположенной перпендикулярно оси F1F2 является мерой концентрации светового потока, при этом она равна: E=Lcт p sin2amax, (4) где amax– апертурный угол выхода, составленный фокальными лучами MkF2 с осью F1F2.
Графическое представление о распределении освещенности может дать меридиональное сечение поверхности, содержащей все точки ее равных значений (рис. 13). Для облучательных приборов, применяемых на малых расстояниях, освещенность (или облученность для узкого спектра лучей) является единственной характеристикой светораспределения, так как телесный угол в данном случае не имеет смысла в силу того, что светоперераспределяющее устройство имеет большую угловую величину [6, 98]. Светотехнический расчет светового прибора заключается в нахождении характеристик силы света, испускаемого лампой и освещенности или определении геометрических параметров системы для заданных светотехнических характеристик [30]. В проектировании световых приборов, прежде всего, ведется расчет геометрии отражателей и характеристик распределения излучения в пространстве или на заданной поверхности [9, 13, 15, 17, 19, 20].
Основные понятия геометрической оптики носят математический характер, при этом физическая природа света не учитывается, но, несмотря на приближенный характер, геометрическая оптика имеет большое прикладное значение. К основным относятся понятия светящейся точки, светового луча и гомоцентрического пучка лучей [18, 27, 36].
Гомоцентрическим пучком называют группу лучей, имеющих общий центр. В случае если центр гомоцентрического пучка входит в осветительную систему, его называют точкой предмета, в другом случае, когда пучок выходит за пределы системы – точкой изображения. Все пространство при этом делится на пространство предметов и пространство изображений. Две точки, одна из которых является изображением другой, называются сопряженными [103].
При математических расчетах излучатели принимаются как точечные, линейные или как светящие поверхности, в зависимости от геометрии светящего тела, расстояния до освещаемого объекта, а также требуемой точности расчета (рис. 14).
Для определения освещенности Е (лк) поверхности dS необходимо знать расстояние до излучателя r (м), силу испускаемого света I (кд), а также угол его падения (рис. 15) [39].
Освещенность элементарной площадки, освещенность точек горизонтальной поверхности Считая, что в элементарном телесном угле d, опирающемся на dS, излучается поток dF (лм) получим: Зачастую задача расчета светонаправляющей конструкции не имеет точного решения из-за большого числа факторов, влияющих на конечный результат [51]. Существующие методы расчета световых приборов могут быть разделены на две группы в зависимости от точности. Первая группа включает методы, основанные на расчете светового потока в пространстве или на участке облучаемой поверхности. При этом принимаются допущения, согласно которым источник излучения считается точечным, а его распространение лучей прямолинейным. Результаты расчета могут быть близкими к реальным только в случае подобных характеристик светораспределения источника. Вторая группа методов базируется на определении площади и яркости светлой части рефлектора, по которым далее рассчитываются сила света и освещенность [49, 101]. По изменению площади, геометрии и яркости освещенного участка можно наглядно оценить распределение силы света, излучаемого по разным направлениям пространства. При этом используется лучевое описание распространения энергии оптического излучения, а характеристика длины волн не учитывается (0). Вторая группа методов расчета может быть разделена по принципу группировки лучей, испускаемых источником излучения.
Традиционные методы расчета основаны на графических построениях. Метод оптических изображений. Основой метода является анализ оптического изображения источника, при этом просматривается прохождение каждого луча в оптической системе, что связанно с громоздкими вычислениями и отсутствием наглядности. Метод предполагает свечение всей поверхности для точек освещаемого объекта и полное угасание за его пределами. Так как оптическая система создает не только полное, но и частичное отражение, результаты могут иметь большие погрешности [50].
Метод обратного хода лучей. Рассматривая ход совокупности условных лучей, упавших на выбранную область облучаемой поверхности, можно рассчитать яркость и площадь освещаемого участка. Таким образом, применяя правила зеркального отражения и преломления, прослеживается обратный ход лучей от поверхности, через пространство и оптическую систему к источнику излучения (рис. 16) [48, 50]. Предложенный метод обладает высокой точностью учета геометрии и яркости источника излучения при заданных оптических условиях. Основным недостатком метода является отсутствие физической наглядности для оценки эффективности метода, поэтому его следует применять для конструирования светового прибора, предварительно рассчитанного другим возможно менее точным, но более наглядным методом. Другим недостатком метода обратного луча является громоздкость вычислений, что не является значительным при расчетах с помощью вычислительной техники.
Рефлектор, профильная линия которого включает два параболических сегмента
Даже при незначительных дефектах отражающих поверхностей или смещении элементов оптической системы происходит изменение распределения интенсивности облучения. Искаженное облучение объекта вызывает повышение энергоемкости производства и сокращение срока службы оборудования, а резкие перепады уровня облученности на различных участках запечатываемой поверхности ведут к перегреву и изменению свойств материала. Таким образом при проектировании отражающих поверхностей необходимо не только перенаправить излучение в соответствии с требованиями эксплуатации, но также определить эффективное положение и геометрические параметры элементов системы. Критерием эффективности при этом является соответствие концентрации и распределения энергии на облучаемом участке требуемой облученности.
Так как у цилиндрических поверхностей и поверхностей вращения сохраняется равенство проекций углов на плоскость поперечного сечения между падающим и отраженным лучами [50], для рефлекторов систем направленного облучения применимо решение плоской задачи. Пусть имеется излучатель S лучистой энергии и облучаемая линия t, на которой требуется создать некоторый закон облученности. Криволинейный отражатель L лучистой энергии, создает на линии t определенную функцию дополнительной облученности (рис. 22). Задача заключается в том, чтобы найти такое положение источника S, а также такое положение и такую форму отражателя L, чтобы создаваемая суммарная облученность E достаточно мало отличалась от заранее заданной функции [87].
Светонаправляющая конструкция, состоящая из излучателя лучистой энергии S, отражателя L и облучаемой линии t В общем случае задача проектирования отражающих поверхностей решается, когда облучаемая поверхность представлена в виде: плоскости; поверхности вращения; цилиндрической поверхности; криволинейной несимметричной поверхности. Заданное распределение облучения может быть: равномерным; - сфокусированным; - неравномерным (перенаправленным). Решение поставленной задачи рассмотрим при следующих ограничениях: 1) источник излучения S является точечным и обладает свойствами излучателя Ламберта [91]; 2) если приёмник t и заданная функция облученности обладают симметрией, то будем считать, что они имеют общую ось симметрии; 3) если приёмник t или заданная функция облученности не обладают симметрией, то поставленная задача дополняется задачей по определению такого расположения источника S относительно приёмника t, при котором функция прямой облученности имеет минимальное отклонение от функции заданной облученности Е (Вт/м2). Эта задача решается предварительно.
Кроме приведенных вариантов, поставленная задача характеризуется тем, что функция облученности отраженной энергией не является элементарной. В частности, она может быть разрывной и недифференцируемой на участке ее определения. Поясним это для трех случаев, в которых функция облученности прямой энергией Епр(х) предполагается монотонно убывающей, непрерывной и дифференцируемой в каждой точке.
Предположим, что на облучаемом отрезке [О, р] построена сетка (может быть равномерная) = х0 x1 … xn – 1 xn = p. Пусть выбран криволинейный отражатель L, форма которого задается значением у = Цх) ординат этой сетки. Если выбрать некоторый узел х, определить точку уі = ЦХІ) и направление касательной в ней, которые для краткости можно назвать линейным элементом отражателя, построить луч, отраженный і-м линейным элементом и найти его след U на отрезке [О, р], то в общем случае х,ф U.
Первым возможным случаем может быть тот, при котором сетка xt, і = 0, …, п, отображается взаимно однозначно на непрерывную сетку Если при этом to = 0, tn = р, то мы получим непрерывную и дифференцируемую функцию облученности отраженной энергией Eomp(t). Подобрав подходящие аналитические описания для Епр(х) и Eomp(t) и приведя их к какой-нибудь одной переменной ЕПР(Х) -Enp(t) WIU Eomp(t) - Еотр(х), или Епр(х) -Enp(z), EomP(t) - Eomp(z), (38) выполняем суммирование двух функций Enp(z) + Eomp(z) = EcyMM(z). (39)
Полученная функция есть функция суммарной облученности, свойства которой зависят от параметров выбранного отражателя L.
Вторым возможным случаем может быть такой, при котором t0 U ... tn -! tn, иф 0, гпфО. (40) Тогда возникает ситуация, показанная на рисунке 26. После преобразования Епр(х) - Enp(z), Eomp(t) - Eomp(z), функция Enp(z) получает две точки разрыва. И, наконец, третьим возможным случаем может быть такой, при котором нарушается монотонность последовательности значений U (рис. 26, 27). В этом случае возможны, как минимум, четыре разрыва функции суммарной облученности.
Разрывы функции EcyMM(z) возникают в результате отражения от участков рефлектора/., на которых наиболее сильно изменяется линейный элемент, а именно угол наклона касательной к линии рефлектора.
Составной параболический рефлектор с дополнительными отражающими плоскостями
В случае с концентрирующим эллиптическим рефлектором избежать отражения излучения на колбу лампы возможно посредством двух дополнительных отражающих плоскостей, расположенных непосредственно над источником излучения.
Рассмотрим вариант двух дополнительных симметричных плоскостей, расположенных в центральной части рефлектора (рис. 33). По условиям задачи, отраженные лучи должны огибать источник излучения периферийные участки облучаемой поверхности.
Расчетная схема эллиптического отражателя c дополнительными плоскостями Уравнение профильной линии эллиптического рефлектора имеет вид: y = (h + q) 1 x2 (87) где h – высота положения излучателя S над облучаемой поверхностью, q – расстояние от источника излучения до вершины эллипса, a – полуширина облучаемой поверхности.
Зададим высоту центральной части линейных элементов над источником излучения – k. Для облучения периферийных участков, при максимальной концентрации энергии, лучи, отраженные от центральной части рефлектора должны быть перенаправлены по кратчайшему маршруту, с условием исключения падения на поверхность колбы. Таким образом, угол наклона дополнительной поверхности напрямую зависит от диаметра лампы: г 2tga (88) 1g2a k Вторая точка находится на пересечении прямой, соответствующей положению дополнительного линейного элемента, и эллипса: tga -x + h + k = (h + q) 1- а (89) Для определения функции кривой интенсивности облучения отраженной от эллиптической части энергией, необходимо определить однозначное соотношение между точками (х0, у0) кривой эллипса и точками облучаемого отрезка.
Запишем уравнение касательной и уравнение нормали в точке L (х0,у0): y кас (h + qf y0 х- x0 a x0) + y0 у норм a y0 {h+qfx о (x-x0) + (90) Тангенс угла наклона касательной соответствует углу наклона прямой SA, отсюда можно записать уравнение прямой SA: y = y;-x + h. (91)
Определим координаты точки А, как точки, симметричной точке S относительно нормали: h-y0 + (h + q) 2 х =2- — уо а-уО xO-Qi + qf a у a 2- Г уо-\ — /о L у0 + а2-у0 1 (h + q) 2 а2-у0 x0-(h + q) 2 \\ xO-ih + q)2 х0-у h (92) [ По двум известным точкам запишем уравнение прямой AL: у Х У а Х У 0 + Ха У 0 Х0 У а Ха Х0 (93) Полагая y = 0, получим точку, в которую попадает отраженный луч. Таким образом, получено однозначное соотношение между точками (хО, уО) кривой линии поперечного сечения эллиптического отражателя и точками отрезка оси ОХ. Облученность отраженной энергией в точке t находим, исходя из закона распространения света и равенства лучей падающего и отраженного, из соотношений: хь=2-х0-ха уь=2-у0-уа. (94) Облученность отраженной энергией в точке t будет: E(i) = Т (95) kbY + iyj3 2 Прямая облученность: EP(t)= I h 3. (96) Суммарная облученность: E{t\=Ep(t) + E(t). (97)
Найдем соответствие точек облучаемой поверхности и дополнительных отражателей. Возникает две группы отраженных лучей. В первом случае, аналогично ранее описанному, точка D1 симметрична центру источника излучения относительно прямой, перпендикулярной линейной части рефлектора (рис. 34, а). Во втором случае, луч, отраженный линейной частью попадает на эллиптический элемент, и точка D2 выходит за границы оптической системы (рис. 34, б). Найдем уравнение облученности отраженной энергией для первой группы лучей: а. б.
Координаты точки СІ, как точки пересечения прямой, перпендикулярной линейной части рефлектора и прямой, параллельной положению этой части рефлектора и проходящей, через центр источника излучения: у1 = tga -x + h + q (98) y2=(h + q) х2 1 а (99) к + + tga х xc1 = %а , yc1=tga-x + h. лga tga Тогда координаты D1: (100) X к + XD1 = + tga-x tga + tga tga X k + + tga-x tga 2 tga ym =h + + tga tga По двум известным точкам запишем уравнение прямой K1D1: (101) у х ут - х у0 + хт у0 - х0 ут хт-х0 (102) Полагая y = 0, получим точку, в которую попадает отраженный луч. Определим облученность отраженной энергией в точке ТІ из соотношений: %=2- 0- D15 ys1=2-y0-ym. (103) Интенсивность отраженной энергии в точке ТІ будет: Е(П1 = (104) lxs11)2+(yj3 2
Для второй группы лучей, координаты точки С2, как точки пересечения прямой, перпендикулярной линейной части рефлектора в заданной точке и прямой, параллельной этой части рефлектора и проходящей, через центр источника излучения:
Рефлектор блока УФ-отверждения
При проектировании оптической системы следует учитывать динамику работы печатной машины. Облучение происходит на скорости до 45 м/мин. при одной лампе. Зачастую на конвейер устанавливается 3 модуля с соответствующим увеличением скорости сушки [107]. Для инициации процесса полимеризации необходимо доставить на облучаемую поверхность определенное количество энергии, индивидуальное для каждого вида покрытия. Сокращение длины облучаемого участка ведет к повышению интенсивности его облучения, однако суммарное количество энергии, которое достигает приемника не изменяется. Таким образом сокращение длины облучаемой поверхности ведет к концентрации энергии, но не обеспечивает увеличения общего количества энергии, доставленной на облучаемую поверхность, а, следовательно, и ускорения производства. Достигнуть поставленной цели возможно сократив расстояния между источником излучения, приемником и рефлектором. Даже незначительное уменьшение пути, пройденного лучами, ведет к весомому повышению эффективности работы системы [25]. Приблизив лампу к облучаемой поверхности с 120 мм до 110 мм, возможно на треть увеличить интенсивность облучения.
При значительной разнице ширины облучаемого отрезка и диаметра лампы возникает проблема неравномерного распределения энергии [82]. Концентрация излучения в фокальной точке (или оси) эллиптических рефлекторов только усугубляет проблему образования «горячих точек». Высокая энергетическая мощность на сантиметр может привести к ухудшению состояния отверждения, так же как если интенсивность излучения недостаточна, энергия доставляет слишком много тепла или спектральный диапазон не соответствует необходимому [107]. Таким образом, несмотря на динамичный характер облучения и необходимость концентрации, немаловажной задачей является равномерное распределение энергии на облучаемом участке, так как даже в УФ-системах часть энергии составляет высокотемпературное ИК-излучение [82]. Каждый запечатываемый материал имеет максимальную температуру безопасного нагрева. Фокусировка излучения на малом участке может привести к излишку энергии и перегреву, тогда как распределение того же количества энергии на широкой области позволяет запечатывать даже термочувствительные материалы.
Другой проблемой эллиптических рефлекторов является высокий процент попадания отраженных лучей на лампу. Перенаправив излучение возможно продлить срок службы оборудования на несколько недель [107].
Подводя итог, при проектировании оптической системы для блока УФ-отверждения NUVA-W200 основными задачами являются: - максимальное технологически возможное сближение элементов оптической системы; - максимальная концентрация и равномерное распределение энергии источника на облучаемой поверхности; - перенаправление отраженного излучения в обход лампы. Дополнительные задачи, позволяющие повысить эффективность производственного процесса: - обеспечить возможность регулировки высоты положения лампы; - обеспечить возможность ограждать облучаемую поверхность на время ожидания.
При расчете рефлектора примем следующие допущения: 1. Источником излучения является однородная бесконечно тонкая нить, равномерно испускающая энергию в плоскости, перпендикулярной самой нити. 2. Коэффициент отражения в каждой точке рефлектора постоянный. 3. Расстояние от нижнего края плоской части рефлектора до облучаемой поверхности принимается равным нулю. Облучаемой поверхностью является отрезок [0, а], источник излучения S находится на высоте h над облучаемой поверхностью (рис. 54). а Рисунок 54 - Исходная расчетная схема Величина излучения от источника (прямая облученность или Епр) определяется по известной формуле: cos (a(t)) пр E(t) = I R(tf t a, (191) где Eпр(t) – облученность в точке t, принадлежащей облучаемому отрезку; I – сила излучения источника в направлении точки t; – угол между вертикалью и лучом, падающим от источника излучения; R – расстояние между источником и точкой на облучаемом отрезке. Исходными данными расчетов являются параметры блока УФ-отверждения NUVA-W200: полуширина облучаемой поверхности a=35 мм, высота положения источника излучения над облучаемым участком h=100 мм, мощность лампы 11 кВт. Распределение облученности прямым излучением источника, имеет вид, показанный на рисунке Рисунок 54. Распределение отраженной энергии рассчитывается в соответствии с предложенными алгоритмами. В результате реализации расчетов с помощью разработанной программы для ЭВМ были определены численные значения геометрических параметров оптической системы, а также распределение облученности для моделей рефлекторов кусочно-линейной, криволинейной и составной геометрии.
На рисунке 55 отображена схема поперечного сечения (правая часть) и распределение энергии эллиптическим рефлектором с дополнительными отражающими плоскостями. Среднее значение облученности для этой модели составляет 0,258 Вт/м2. При этом максимальное значение достигает 0,5 Вт/м2, а минимальное, на периферийных областях – 0,47 Вт/м2. а) Схема поперечного сечения эллиптического рефлектора с дополнительными отражающими плоскостями (правая часть). S – положение источника излучения, L1-L4 – сегменты линии рефлектора. б) Кривые распределения облученности
Использование дополнительных отражающих плоскостей ведет к сближению элементов оптической системы и перераспределению энергии, направленной вверх от источника, на периферийные области облучаемой поверхности. Таким образом достигается исключение падения отраженных лучей на поверхность лампы, перегрева облучаемой поверхности непосредственно под источником облучения, а также повышение концентрации и равномерности распределения энергии.
На рисунке 56 отображена схема поперечного сечения (правая часть) и распределение энергии рефлектором кусочно-линейной геометрии. Среднее значение облученности для этой модели составляет 0,145 Вт/м2. При этом максимальное значение достигает 2 Вт/м2, а минимальное, на периферийных областях – 0,2 Вт/м2. Предложенная геометрия рефлектора более доступна для производства, чем криволинейные поверхности. Крепления сегментов могут обеспечить варьирование формы рефлектора в соответствии с потребностями производства, в том числе оградить облучаемую поверхность на время ожидания и изменить высоту положения источника излучения для большей концентрации энергии. Наклон элемента, расположенного непосредственно над лампой, позволяет избежать отражения лучей на поверхность колбы.