Полые протяженные световоды на современном этапе

В 1992 г. в рамках М КО была организована репортерская группа R-3.07 «Hollow Light Guides» — «Полые световоды», преобразованная в 1995 г. на сессии МКО в Эдинбурге в Технический Комитет МКО ТСЗ.ЗО с этим же названием***.

Тем самым было официально признано новое направление светотехнической науки и техники — полые протяженные световоды — работы в котором были начаты и успешно проводились в СССР начиная с 1965 г. За последние 10 лет достигнут значительный прогресс в развитии светотехники и установок с полыми протяженными световодами.

По ориентировочной оценке 28 фирм в 12 странах занимаются разработкой, производством и применением таких устройств: ВНИСИ (Россия), Экотехсвет (Украина), TIR System (Канада), ЗМ (США), Se'lux, Siteco, Hellux, Thorn (Германия), Illuminotechnika, Space Cannon, Tybosider, TTL, OVA, АЕФС Illuminazione и i'Guzzini (Италия); Philips (Нидерланды); «Heliobus» и Buhler|Scherler (Швейцария); Моск-вичстройинвест, «Световые Технологии» (Россия); Schreder (Бельгия); Socelec (Испания); Wheitcroft (Великобритания); Heart|Light (Япония); «Nils Light Pipe» (Швеция).

Большая часть фирм (17) использует в своих изделиях оптическую призматическую пленку полного внутреннего отражения (SOLF) и экстракторы, 11 фирм применяют зеркальноотра-жающее внутреннее покрытие световодов или выпускают также световоды только из диффузноотражающего и пропускающего свет материала. Большинство компаний выпускают световоды цилиндрической (в сечении) формы (рис. 1). Важно отметить также, что четыре фирмы (ВНИСИ, Schreder, Socelec, Wheitcroft) работают в области создания и применения плоских клиновидных световодов, а две фирмы (ВНИСИ, Se'lux) имеют опыт работы и использования криволинейных протяженных конструкций.

В основном осветительные устройства с полыми световодами используются для:

• общего равномерного внутреннего освещения;

• освещения территорий, открытых пространств и улиц (в основном в виде опорных приборов — светящих колонн или светильников с вторичными отражателями и мачтами-световодами);

• освещения тоннелей и некоторых мостов;

• декоративного, архитектурного освещения различных объектов, а также для создания светодинамических эффектов;

• световых указателей движения на дорогах;

• введения в здания и распределения в них как прямого солнечного, так и искусственного света (этому направлению посвящена отдельная статья [1]). В настоящей обзорной статье сделана попытка рассмотреть примеры наиболее интересных конструктивных решений осветительных устройств с полыми световодами и показать ряд новых установок с ними.

Сами цилиндрические полые протяженные световоды в абсолютном большинстве случаев базируются на использовании жестких экструдиро-ванных труб различного диаметра (от 130 до 300 мм) из пластмассы, как правило ударопрочного полиметилметак-рилата (ПММА) или поликарбоната (ПК) (рис. 2). При использовании прозрачной или очень слабо замутненной пластмассы труба служит в основном защитной и несущей оболочкой, в то время как элементы оптической схемы (отражатели, пленки полного внутреннего отражения, экстракторы), определяющие светотехнические характеристики, наносятся на внутреннюю оболочку труб или располагаются внутри них (например, объемные экстракторы) [2].

Рациональные в каждом отдельном случае геометрические параметры световодов классифицированы в таблице. В настоящее время только последняя конструкция световодов фирмы ЗМ и надувные мобильные световоды фирмы OVA не имеют жесткой внешней оболочки. Важно при этом отметить, что все первые отечественные осветительные устройства, разработанные в 70—80-х годах, имели только пленочную из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) эластичную оболочку толщиной 25—50 мкм, разные части которой служили одновременно или отражателем, или рассеивателем [3].

Такие легкие, дешевые и прочные натяжные конструкции лежали в основе почти 50 000 комплектов осветительных устройств, серийно выпущенных в нашей стране в 80-е годы прошлого столетия. При этом сами световоды имели соответственно диаметры 275 и 650 мм при длине 6 и 18 мм. Определенным минусом таких конструкций для архитектурных или других репрезентативных установок была недостаточная строгость формы (слабая волнистость в по-перечных плоскостях) и сложность монтажа установок (при натяге световодов большого диаметра и длины). Интересно, что спустя 20—30 лет после практически полного перехода на использование жестких труб — защитных оболочек световодов, такая фирма-лидер как ЗМ возвратилась к безоболочным нежестким световодам (рис. 3), практически являющимся многослойными пленочными конструкциями, имеющими жесткий формообразующий несущий узел также из экструдированной пластмассы, но не светотехнической, а конструкционной [4].

Такое возвращение к эластичным световодам связано, прежде всего, с дороговизной пластмассовых труб, цена которых становится практически неприемлемой для серийной продукции, особенно при увеличении диаметров труб сверх 300 +• 350 мм. В то же время имеется настоятельная необходимость такого увеличения диаметра световодов при потребности в больших длинах и обеспечении высоких удельных (на погонный метр длины) выходящих световых потоков.

Для решения этой задачи требуется использовать либо разрядные лампы большой мощности (3—6 кВт), либо несколько ламп мощностью по 0,7—1,0 кВт, как это было сделано в первых отечественных серийных устройствах со световодами с 3—4 зеркальными металлогалогенны-ми лампами по 700 Вт [3]. Появившиеся было надежды на возможность ограничения диаметра труб до размера 300 мм при использовании безэлектродных сверхвысокочастотных серных ламп мощностью 1 кВт с малым размером светящего тела и высокой световой отдачей и сроком службы, к сожалению, исчезли вместе с изъятием из производства, как этих ламп, так и ЭПРА для них.

Нельзя не отметить, что эластичные многослойные каналы новой конструкции также не обеспечивают как строгой цилиндричности, так и одинаковости формы в различных сечениях по длине световодов. Особняком стоят световоды для введения в здания и перераспределения в них как солнечного света, так и света искусственных источников. В некоторых из этих установок использованы или сборные жесткие световоды квадратной в сечении (установка Heliobus) или эллиптической (установка в селении Schhiers) формы с размерами 600 х 600 мм2 и соответственно 650 х х520 мм. Для защитных оболочек в этих световодах использованы толстые 10-миллиметровые листы из прозрачного ударопрочного ПММА, к внутренней поверхности которых прикреплена призматическая пленка.

В них впервые в мировой практике применены объемные трубчатые экстракторы [2, 5]. В проекте «Arthelio» были использованы стандартные цилиндрические трубы диаметром 300 мм из ПК. В редких случаях применяются толстостенные трубы из силикатного стекла [6]. Важнейшим узлом осветительных устройств с полыми протяженными световодами является вводное устройство (ВУ) с источниками света, оптической системой, концентрирующей световой поток требуемым образом, и пус-корегулирующей аппаратурой.

Первые ВУ, серийно применявшиеся в России в 60—80-е годы, базировались на специально разработанных зеркальных металлогалогенных лампах типа ДРИЗ, мощность которых составляла от 250, 400 и до 700 Вт. Лампы устанавливались только в односторонних ВУ (по одной лампе, или по 3—4 лампы). Таким образом, при диаметре световода 650 мм в него вводился с одной стороны световой поток МГЛ мощностью до 2,8 кВт. Вместе с тем, как показали последующие исследования, экономически выгодно в ВУ применять более простые и дешевые серийные лампы, имеющие и больший срок службы, в сочетании с самостоятельными отражателями, которые не сменяются со сменой ламп после их выхода из строя. В настоящее время в абсолютном большинстве осветительных устройств применяются стандартные одно-, двухцокольные МГЛ. Натриевые лампы высокого давления используются весьма редко, и лишь для неответственных случаев. Последние имеют слишком большую длину светящей части (горелки), перераспределение излучения которой в продольной плоскости для ввода в торец световода весьма затруднительно.

В этом смысле близки к идеальным шаровые серные СВЧ-лампы и двухцо-кольные малогабаритные шаровые МГЛ. Как было отмечено выше, в связи со снятием с производства серных ламп об их использовании сейчас в световодах практически не может быть речи. Вместе с тем, нельзя не отметить, что, как показали технико-экономические исследования [7], эти лампы мощностью 1000 Вт в комплекте с магнетронами, устройством вращения лампы и вентилятором не выдерживают экономического сравнения с серийными МГЛ мощностью 1000 Вт. Поэтому последние разработки крупных осветительных устройств со световодами ряда ведущих фирм (ВНИСИ, ЗМ, TIR, Se'lux) базируются именно на использовании МГЛ 1000 Вт. В практике встречаются три вида ВУ одностороннего и двухстороннего действия (рис. 4, 5), а также их модификация с поворотом на 90° вводимого в световод светового пучка. Односторонние ВУ (рис. 4) базируются, как правило, на использовании глубоких алюминиевых параболокруговых отражателей, формирующих концентрированную кривую силы света.

Двухсторонние ВУ (рис. 5) содержат комбинированные параболоидные «Х-отража-тели», в центре которых располагается светящее тело лампы, вставляемой в ВУ сбоку, перпендикулярно оси световода. При необходимости выноса ВУ за освещаемое пространство или расположения его вне светящей линии световодов применяется ВУ типа трой-никового фитинга [8], обеспечивающее поворот светового пучка (рис. 6). Особенно важно упомянуть об имеющихся переходных устройствах (рис. 7) [9], которые позволяют транспортировать свет от ВУ, расположенного вне освещаемого пространства (взрыво-или пожароопасного помещения, холодильные или вакуумные камеры, особо чистые помещения или объемы с повышенным давлением газообразной или жидкой среды), через ограждающие конструкции в световод, освещающий эти помещения или объемы. Как правило, ВУ изготавливаются из силуминового литья, имеют оребрен-ную цилиндрическую конструкцию, способствующую улучшению напряженного теплового режима, с торца (или торцов при двухсторонних ВУ) закрываются герметизированными термостойкими, прозрачными силикатными стеклами; степень защиты большинству ВУ — IP54, в то время, как для самих световодов — IP65.

Один из блоков ВУ, содержащий балласт и зажигающее устройство, как правило, является выносным и устанавливается отдельно, но не более, чем на расстоянии 1 м от лампы, или конструктивно связан с основной частью ВУ, содержащей лампу и оптическую систему (рис. 4). Блоке ПРА, как правило, имеет исполнение IP65. Существенным конструктивным ограничением для дальнейшего увеличения единичной(или суммарной)мощности лампы в ВУ без значительного увеличения его размера и, соответственно, самого световода, является напряженный тепловой режим ВУ. Этот фактор имеет значение не только для лимитирования температуры наружных поверхностей ВУ и обеспечения работоспособности самой лампы, но и, прежде всего, для исключения перегрева сверхдопустимых значений прилегающих к ВУ участков световодов, выполненных из пластических материалов (так Тша для ПК и ПЭТФ не должна превышать 140°С).

Проблема теплового режима ВУ полностью отсутствует в разработках световодов фирмы TIR, в которых для получения варьируемого цветового эффекта используются модули со светодиодами (рис. 8). Суммарная мощность источников света в этих ВУ составляет не более 30 Вт для вариантов с цветными светодиодами и не более 50 Вт — с белыми. Важнейшими особенностями таких изделий, учитывая срок службы светодио-дов, составляющий 100 тыс. ч, являются цельная неразбираемая конструкция и возможность полной герметизации ВУ в связи с отсутствием необходимости замены источников света на протяжении всего периода эксплуатации, а также малый диаметр самих световодов (100 или 150 мм).

По сравнению с протяженными круглоцилиндрическими по форме световодами плоские клиновидные конструкции [10, 11] имеют целый ряд особенностей, а в ряде случаев и преимуществ. Осветительные устройства с клиновидными световодами, имеющие длину, как правило, не более 5 м при одностороннем вводе света, базируются не на экструдированной трубе из пластмассы и не на пленочных каналах, а на использовании коробчатых конструкций из тонколистового алюминия с высоким коэффициентом зеркального отражения. Эти конструкции перекрыты с одной стороны (выходное отверстие световода — оптическая щель) светорассеивающей или прозрачной призматической пластмассой, (рис. 9). Известны также [11] конструкции клиновидных световодов, имеющих жесткую каркасную конструкцию, ребра которой выполнены из экструди-рованного алюминиевого профиля, три поверхности образованы алюми-нированными листами двухслойного полипропилена, а четвертая — оптическая щель — листовым светорассеи-вающим П ММ А (рис. 10).

Эти жесткие световоды имеют более высокий КПД и при серийном производстве должны быть более дешевыми. При этом с помощью клиновидных световодов с прямоугольным поперечным сечением могут набираться светящие поверхности большой площади, например, светящие потолки, может легко варьироваться форма и архитектурное решение светящей поверхности. Такие фирмы, как Schreder (Бельгия), Socelec (Испания) и Wheitcroft (Великобритания) осуществляют серийное производство клиновидных световодов с размером «оптической щели» от 3,3 до 5,1 м (по длине) и 0,274 м (по ширине). При этом наибольшая высота световода всего 0,305 м, а длина ВУ 0,6 м. В этой серии световодов используются или МГЛ 250, 400 Вт или НЛВД 150 Вт (рис. 9). Как правило, клиновидные световоды применяются для внутреннего освещения (спортивные залы, бассейны и др.).

Читать далее:  Полые протяженные световоды на современном этапе