Chủ nhiệm đề tài: TS. Bùi Hùng Thắng

Sự cần thiết:
Việc lưu giữ vũ khí cũng như đạn dược trong quân đội rất quan trọng mang tính chiến lược lâu dài, việc lưu trữ phải đảm bảo nghiêm ngặt về tính bí mật và đặc biệt là các yếu tố an toàn về phòng chống cháy nổ kho đạn dược, vũ khí. Chính vì điều này nên nhiều kho đạn, vật liệu nổ thường được cất giữ trong hầm chứa dưới lòng đất, trong lòng núi hay những nơi xa dân cư.

Những hoạt động chiếu sáng yêu cầu sử dụng điện lưới hay chiếu sáng không phù hợp có thể dẫn tới nguy cơ chập điện hoặc cháy nổ, cho nên những tiêu chí chiếu sáng cho các kho chứa vũ khí đạn dược vô cùng nhạy cảm và khắt khe. Chính vì khả năng cháy nổ cao nên thông thường các kho chứa không dùng được các loại đèn chiếu sáng công suất lớn, mà chỉ dùng các loại đèn pin và ắc quy xách tay với công suất nhỏ, các thiết bị này được giới hạn điện áp luôn nhỏ hơn 12V.

Khi sử dụng những loại đèn này phục vụ trong kho chứa vũ khí đạn dược sẽ gặp phải nhiều hạn chế như là khả năng chiếu sáng thấp, khó quan sát dẫn đến sự hạn chế trong việc quản lý cũng như vận chuyển các loại vũ khí đạn dược. Hơn nữa, việc lưu trữ vũ khí đạn dược không chỉ ở một kho duy nhất và còn có nhiều kho ở cạnh nhau, do vậy nếu xảy ra cháy nổ thì sẽ gây ra những thiệt hại dây chuyền rất lớn.

Vì vậy việc thiết kế chế tạo được hệ thống chiếu sáng tốt hơn cho kho đạn, vật liệu nổ vừa đảm bảo khả năng chiếu sáng tốt, vừa đảm bảo tính an toàn về phòng chống cháy nổ cao là một vấn đề cấp thiết đặt ra hiện nay. Một trong những giải pháp được đề ra đó là chiếu sáng cho kho đạn, vật liệu nổ thông qua việc dẫn sáng từ ngoài vào trong kho bằng ống quang hay cáp quang để tránh đưa đường dây điện vào trong kho. Ngày nay những loại cáp sợi quang hay ống dẫn quang chất lượng tốt đã được chế tạo ra với khả năng truyền dẫn ánh sáng một cách tối ưu, ít suy hao, đã mở ra giải pháp chiếu sáng an toàn cho kho đạn, vật liệu nổ.

Bên cạnh đó, theo các kết quả nghiên cứu về đèn LED (Light Emiting Diode), đèn LED tiết kiệm khoảng 90% so với đèn sợi đốt và 50% điện năng tiêu thụ so với đèn compact. Độ suy giảm quang thông của đèn compact rất nhanh, trong khi đó đèn LED đảm bảo tuổi thọ 50.000 giờ theo tiêu chuẩn L70 (tức là sau 50.000 giờ thì lượng quang thông còn lại của đèn LED là 70%). Ngoài ra, nguồn sáng LED thân thiện với môi trường sống vì không có chứa tia tử ngoại, hơn nữa nhờ vào tuổi thọ rất cao, vật liệu chế tạo lại không có thủy ngân (Hg), nên nguồn sáng LED làm giảm mức độ ô nhiễm môi trường trong suốt thời gian hoạt động cũng như trong quá trình thải hồi và tái chế sau này.

Bên cạnh đó, ánh sáng của đèn LED được biết đến là tốt nhất hiện tại với chỉ số hoàn màu cao, ánh sáng trắng giống với ánh sáng ban ngày thuận lợi cho việc quan sát ở trong một không gian rộng. Vì sinh nhiệt ít, điện năng không bị tiêu tốn nhiều trong quá trình hoạt động nên sẽ giảm thiểu điện năng tiêu thụ, qua đó tiết kiệm chi phí vận hành đồng thời đảm bảo an toàn cho những khu vực dễ cháy nổ cần đảm bảo nhiệt độ không tăng cao.

Để đảm bảo sự an toàn tuyệt đối và tránh cháy nổ do nhiệt độ thì vấn đề tản nhiệt cho đèn LED cũng hết sức quan trọng. Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, nhiều loại vật liệu nanô mới ra đời, trong đó có ống nanô cácbon (CNTs) và graphene (Gr), đây là những loại vật liệu có nhiều tính chất cơ lý ưu việt, đặc biệt chúng có độ dẫn nhiệt lớn nhất được biết tới hiện nay (kCNTs ~ 3000 W/mK, kGr ~ 4000 W/mK so sánh với độ dẫn nhiệt của đồng kCu ~ 300 W/mK), do vậy những vật liệu này đã mở ra khả năng ứng dụng trong lĩnh vực tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị điện tử công suất lớn nói chung, cho hệ thống đèn LED chiếu sáng cho kho đạn, vật liệu nổ nói riêng nhằm tăng tuổi thọ, độ bền, hiệu suất phát quang, đồng thời giảm nhiệt độ hoạt động của đèn LED và đặc biệt là tránh nguy cơ cháy nổ vì nguyên nhân nhiệt độ tăng cao.

Mục tiêu:
Thiết kế chế tạo được hệ thống chiếu sáng đặc chủng chống cháy nổ dùng cho kho vũ khí đáp ứng được tiêu chuẩn TC 7114.

Nội dung nghiên cứu:
- Thiết kết và chế tạo đèn LED cho kho vũ khí đạn, vật liệu nổ.
- Thiết kết và chế tạo hệ thống truyền dẫn ánh sáng cho kho vũ khí đạn.
- Tối ưu hệ thống phân bố quang trong kho đạn.
Kết quả của đề tài:
Đề tài được đặt ra nhằm thực hiện mục tiêu thiết kế chế tạo được hệ thống chiếu sáng đặc chủng chống cháy nổ dùng cho kho vũ khí đạn vật liệu nổ đáp ứng tiêu chuẩn TC 7114. Tiêu chuẩn TC 7114 là viết tắt của TCVN 7114:2008, đây là tiêu chuẩn được Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố ban hành vào năm 2008. Tiêu chuẩn TC 7114 tương đương với tiêu chuẩn ISO 8995 - 1 : 2006 quy định về Ecgônômi - chiếu sáng nơi làm việc. Theo tiêu chuẩn này thì các nhà kho chứa, kho lạnh nói chung cần có yêu cầu về độ rọi đạt từ 100 lux và chỉ số hoàn màu đạt từ 60 CRI. Tiêu chuẩn này cũng phù hợp với Thông tư 22/2016/TT-BYT ngày 30/6/2016 của Bộ Y tế quy định quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng - mức cho phép chiếu sáng nơi làm việc, trong đó độ rọi đối với nhà kho, kho lạnh trong Thông tư 22/2016/TT- BYT quy định là đạt 100 lux.
Trong khuôn khổ của đề tài này, hệ thống chiếu sáng đặc chủng cho kho vũ khí đạn vật liệu nổ cần đáp ứng được tiêu chuẩn TC 7114 với chi tiết độ rọi đạt 100 lux và hệ số hoàn màu đạt trên 70 CRI theo thuyết minh đề cương đăng ký. Độ đồng đều độ rọi được thực hiện theo phương pháp chia lưới để đo độ rọi tại từng điểm, sau đó xác định giá trị trung bình của độ rọi, đồng thời xác định độ lệch của độ rọi tại các điểm khác nhau so với giá trị trung bình của độ rọi, từ đó xác định được độ đồng đều độ rọi. Trong nghiên cứu này, độ rọi của hệ thống được đo theo tiêu chuẩn ISO/CIE 19476:2014 trên thiết bị đạt tiêu chuẩn JISC1609:1993 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới. Chỉ số hoàn màu được đo trên thiết bị theo tiêu chuẩn TCVN 11843:2017 tại Viện Đo lường Việt Nam. Công suất điện của hệ thống chiếu sáng được xác định tại Viện Khoa học vật liệu bằng thiết bị PZEM-020.
* Sản phẩm hệ thống chiếu sáng của đề tài có độ bền và tuổi thọ cao, được thể hiện qua những ưu điểm đạt được như sau:
- Sản phẩm của đề tài sử dụng đèn LED với tuổi thọ cao lên đến khoảng 50.000 giờ theo tiêu chuẩn L70 (tức là sau 50.000 giờ thì lượng quang thông còn lại của đèn LED là 70%).
- Với kết cấu cải tiến tối ưu, sử dụng chất lỏng tản nhiệt nano, những kết quả đo đạc đã cho thấy nhiệt độ của chip LED khi sử dụng chất lỏng nano có thể giảm xuống từ 3 - 5oC so với việc sử dụng chất lỏng thông thường trong hệ thống tản nhiệt, qua đó giúp nâng cao từ 30 – 40% tuổi thọ của đèn LED. Việc sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nanô thì hiệu quả tản nhiệt sẽ càng tốt hơn, giúp cho việc nâng cao hơn nữa hiệu suất, độ bền và tuổi thọ của đèn LED.
Lợi ích về độ bền và tuổi thọ của hệ thống như trên gắn liền với lợi ích kinh tế về hiệu quả sử dụng, cũng như giảm chi phí về duy tu, bảo trì và sửa chữa hệ thống đèn chiếu sáng.

* Để giải quyết bài toán truyền dẫn ánh sáng đi xa hiệu quả, hiện nay có 2 giải pháp chính, đó là sử dụng sợi quang và ống dẫn quang. Việc sử dụng ống dẫn quang trong đề tài nghiên cứu này mang lại những hiệu quả về kinh tế được thể hiện qua các điểm như sau:
- Việc sử dụng sợi quang làm từ thủy tinh cho hiệu quả truyền ánh sáng cao, tuy nhiên sợi quang làm từ thủy tinh có nhược điểm là đường kính nhỏ để tránh hiện tượng bị gãy khi uốn cong. Với cáp quang đơn mode thì đường kính lõi sợi quang khoảng từ 8 đến 10μm, với sợi đa mode thì có đường kính lõi sợi quang khoảng 50 đến 62,5μm, như vậy việc ghép rất nhiều sợi quang nhỏ để có thể truyền chùm ánh sáng song song có đường kính khoảng 10 cm đi xa 50m có giá thành rất lớn và không khả thi về mặt kinh tế.
- Việc sử dụng sợi quang làm từ polymer có ưu điểm đường kính lớn hơn, có thể lên đến 1,5 cm, tuy nhiên độ suy hao của sợi quang này với chất lượng tốt cũng vào khoảng 0,2 dB/m, tức là ở khoảng cách 50m sẽ có độ suy hao là 10 dB, tương đương với độ suy hao 90% ánh sáng, chỉ còn lại 10% khi đến kho đạn, điều này cho thấy giải pháp này không khả thi về mặt kỹ thuật. Về kinh tế, dự tính giá thành của hệ thống sợi quang cho khoảng cách xa 50 m vào khoảng 50.000.000 đ, như vậy về hiệu quả kinh tế của giải pháp sợi quang polymer không cao.
Giải pháp sử dụng ống dẫn quang làm từ nhôm với hệ số phản xạ tốt đã đáp ứng tốt về mặt kỹ thuật, đảm bảo độ suy hao < 70%, tức là trên 30% ánh sáng truyền được đến kho đạn. Về mặt kinh tế, chi phí cho 50m ống dẫn sáng chỉ khoảng 5.000.000đ – 7.000.000đ tùy theo độ dày của nhôm. Điều này cho thấy giải pháp này vừa có hiệu quả kỹ thuật, lại vừa có hiệu quả kinh tế so với việc dùng sợi quang làm từ polymer. Kết hợp với các bộ phận khác như đèn chiếu sáng và tấm tán xạ thì chi phí cho một hệ thống khi triển khai chế tạo ở quy mô lớn sẽ vào khoảng 15.000.000 đ. Qua đó cho thấy giải pháp sử dụng ống dẫn quang có hiệu quả kinh tế và tính khả thi cao hơn so với những giải pháp khác tương đồng (sử dụng sợi quang thủy tinh và sợi quang polymer).