222 nm準分子光源系統的封閉式循環散熱

劉 杰，王佳琦，韓秋漪，張善端

(復旦大學 電光源研究所，上海 200438)

引言

準分子光源具有輻射光譜寬度窄、能量集中、功率密度高、使用壽命較長、無汞污染等優勢[1]，在半導體和面板光清洗、光化學合成等領域有比較廣泛的應用。近年來，有研究表明[2-5]，KrCl準分子燈發出的222 nm紫外輻射既能夠在有效滅活新冠病毒、阻隔病毒傳播的同時，又不會對人的眼睛和皮膚造成傷害，適合人機共存的殺菌消毒場景，因此成為新的關注焦點。

但準分子燈在使用時，高壓電極可能對空氣放電，容易產生臭氧。在通風條件較差的室內環境下，臭氧會對人體產生傷害。對于應用在室內等通風條件較差環境下的準分子光源，需要采取封閉阻隔的燈具設計，以避免臭氧的溢出。而封閉式的燈具設計又不可避免地帶來光源系統散熱效果的降低。因此，設計一種能夠阻隔臭氧，同時具有高效散熱效果的燈具結構，具有一定的工程價值和意義。目前準分子光源的研究主要圍繞光源的石英管壁厚度、驅動波形、氣體成分和氣壓等因素[6-9]對準分子燈輻射效率的影響，但對于燈具的熱管理還缺乏研究。

目前市場上燈具常見的散熱方式主要為主動散熱和被動散熱。主動散熱方式主要采用風冷、液冷、半導體制冷等[10-12]外部能量來驅動流體經過熱源區域實現熱量的交換；被動散熱方式主要通過如添加翅片、基板、熱管等[13-15]方式來增加換熱面積、改變換熱系數，不需要額外的能量。由于在室內環境時，需要考慮準分子光源的臭氧問題，因此光源需要采取封閉設計。徐宇杰等[16]研究了封閉空間系統的散熱問題，通過在腔體表面刻微槽、腔體內部充氦氣、設置強制對流后得出，封閉腔體內的強制對流是散熱效果提升的關鍵。張馳宇等[17]通過仿真封閉腔體內的通風系統，并調整風口的布局和內部擋板的位置實現了空氣在腔體內的良好散熱，提高散熱效率。劉文冬[18]根據電子設備機箱的特征，設計了帶有中空蓋板的風冷散熱結構，并在不同環境溫度和風扇功率下進行優化仿真設計。王國清[19]發明了一種封閉機箱內循環散熱結構，利用制冷組件、風機、換熱管、排氣管等組件實現了機箱整體環境的高效降溫。

本文設計制作了一種封閉式循環散熱燈具并進行了優化設計。與封閉式自然散熱燈具相比，燈管的外管壁溫度從256 ℃下降至158 ℃、內管壁溫度從285 ℃下降至163 ℃，有效降低了管壁溫度，提高光源的輻照度在17%以上。

1 燈具結構設計及仿真建模

1.1 封閉式自然散熱燈具結構

圖1為本文建立的封閉式自然散熱準分子光源系統的三維模型，該光源系統為基于介質阻擋放電原理的同軸燈管結構。燈具整體尺寸為320 mm×120 mm×135 mm，出光口尺寸為196 mm×91 mm，燈具內部結構包括燈具外殼、同軸結構準分子燈管、反射器、濾光片、電路板、燈管固定板、封閉式擋板等。其中反射器將準分子燈管發出的紫外光反射出去，以提高系統出光效率。濾光片為低通濾光片，用于濾除235 nm以上對皮膚和眼睛有害的紫外波段。

圖1 封閉式自然散熱光源系統三維模型Fig.1 3D model of enclosed natural cooling luminaire

1.2 封閉式循環散熱燈具設計

本文為提高封閉式燈具的散熱效果，設計了一種封閉式循環散熱燈具結構，如圖2(a)所示。燈具結構包括燈管、漏斗、風扇及循環管道結構，其中漏斗的結構尺寸為前期通過散熱仿真得到的優化尺寸[20]。循環管道共有3個相同的管道，與單獨的大管道相比能夠增加散熱面積，便于和外部空氣充分接觸，從而提高散熱效果。每個管道的直徑均為16 mm，長度為305 mm，管壁厚度為1 mm。在實際制作時，可將管道的尺寸適當延長，便于和燈具緊密連接，以獲得更好的氣密性。為提高燈具的散熱效果，需要充分發揮內部循環流體的流動作用，因此該燈具結構較封閉式燈具的尺寸進一步擴大，整體結構尺寸為428 mm×120 mm×184 mm，出光口尺寸與封閉式自然散熱燈具一致?？紤]到漏斗的進風方式，該燈具內部流體的流向采用如圖2(b)所示的逆時針流向，使得燈具內部的流體與燈管周圍的熱源區域充分對流交換。此外封閉式燈具原有的內置電路板占據大量的空間，因此本文將其改進成外置電路，以提高燈具的散熱效率。封閉式循環散熱燈具使用的燈管和驅動電源均與封閉式自然散熱燈具一致。

圖2 封閉式循環散熱燈具Fig.2 Enclosed-loop heat dissipation luminaire

本文設計的封閉式循環散熱燈具結構能夠有效降低準分子光源的工作溫度，同時能夠阻隔其產生的臭氧，避免了對人體的傷害。

1.3 仿真計算

準分子光源系統的散熱仿真采用COMSOL軟件來實現。COMSOL軟件設置的域參數及導熱特性見表1?？紤]到燈具安裝的低通濾光片不能透過遠紅外，因此在后續的實驗過程中無法用紅外熱像儀透過濾光片直接測量燈管的管壁溫度。ZnSe晶體在紅外波段具有較高的透過率，因此采用尺寸基本相同的ZnSe晶體代替低通濾光片進行仿真。此外燈管放電過程中主要是Kr和Cl2進行反應，由于Cl2的氣體含量遠低于Kr的含量，且Kr和Cl2導熱系數比較接近，因此仿真模型采用純Kr氣代替兩者的混合氣體作為熱源內的氣體進行計算。

表1 材料的導熱特性

仿真模型的邊界條件包括初始環境溫度25 ℃，對流換熱系數為10 (W·m-2·K-1)，燈管的熱功率設為54 W。針對不同類型燈具中空氣的流動狀態需要設置不同的散熱邊界條件。對于封閉式自然散熱燈具，內部流體僅因溫度變化而導致密度變化，從而產生一定的流動，因此設置重力約束作用。對于封閉式循環散熱燈具，內部流體在風扇的作用下產生流動，因此需要設置風扇流入、流出的風速等邊界條件。

2 實驗方法和設置

2.1 測試樣品

圖3為封閉式自然散熱燈具的實物圖，兩側擋板為光滑的全封閉擋板結構，并通過螺絲固定到燈具外殼上，實現燈具內部與外部環境的隔絕效果，避免了臭氧的泄露和對人體的傷害。

圖3 封閉式自然散熱燈具Fig.3 The luminaire of enclosed natural cooling type

圖4為本文設計制作的封閉式循環散熱燈具的實物圖。封閉式循環散熱燈具與自然散熱燈具結構相比，前者的結構較為復雜，采用機床壓制加工單個零件時成本較高，因此各個零部件采用分別獨立加工的方式，并通過鋁棒、L型部件連接各個零部件?？紤]到密封問題，該燈具在裝配完成后，采用中性硅樹脂密封膠黏住各個零部件界面的縫隙。

圖4 封閉式循環散熱燈具Fig.4 The luminaire of closed-loop heat dissipation type

為研究準分子光源的管壁溫度對輻照度的影響，本文采用風扇調節電路來調整燈具的散熱性能，從而得到不同溫度下的輻照度。實驗過程利用脈寬調制(PWM)電路實現風扇風速的調整，該PWM電路由開關電源供電，獨立于燈管的驅動電源。

2.2 實驗測量

(1)電參數測量。測量驅動電源的輸入輸出功率能夠為仿真和后續的實驗提供數據參考。輸入功率不包括風扇的功耗，僅為驅動燈管的功率，通過功率計(Yokogawa WT310)進行測量，測量時采用穩壓源(Chroma 61601)提供220 V、50 Hz的輸入電壓。輸出功率通過示波器(Tektronix MDO 3034)、電壓探頭(Tektronix P6015A)電流探頭(Pearson P4100)測量。在點燈10 min穩定工作后，再進行測量。測量結果為輸入功率72.2 W，輸出功率56.1 W。

(2)光熱參數測量。采用紅外熱像儀測量準分子燈管的內外管壁溫度，同時利用紫外功率計 (Hamamatsu，主機C8026，探頭H8025-222)測量光源系統出光口法線上同一點的輻照度值，可以進行輻照度大小的比較。

圖5為輻射測試平臺，包括光參數測試、風速調節裝置，以及光源系統的紫外輻照度測量。測試時，首先通過風速調節電路設定不同的PWM值，并測量該值下燈具穩定工作的管壁溫度。隨后將ZnSe晶體更換為低通濾光片，設定同樣的PWM值，并測量該值下的燈具出光口法線上的輻照度值，從而得到在不同溫度下燈具的相對輻照度大小。

圖5 輻射測試平臺Fig.5 Radiation test platform

溫度測量時，將原有的低通濾光片替換為ZnSe晶體，其中ZnSe晶體的尺寸為198 mm×95 mm×3 mm，低通濾光片的尺寸為198 mm×95 mm×2 mm，兩者尺寸基本一致。利用紅外熱像儀(Fluke TiS75+)透過ZnSe晶體測量燈具的內外管壁溫度，根據ZnSe晶體的紅外透過率隨波長的關系，可得到在紅外熱像儀工作波段8～14 μm的透過率為73%。在熱參數測量過程中，需要將燈具點亮15 min，熱穩定后再進行溫度測量。溫度拍攝時應使得熱像儀與燈具表面的距離在20～120 cm之間，便于熱像儀的對焦測溫。

目前準分子光源輻射效率是利用Keitz公式進行測量，但該公式適用于將準分子燈管近似為線光源。將燈管放置在燈具中時，由于反射器的存在，燈具的輻射效率不再適用Keitz公式。但對于同一安裝結構的燈具及給定距離和位置時，其法線上的輻照度與輻射效率成正比，因此可以測量不同管壁溫度下燈具的輻照度，得到輻照度的相對值，也即輻射效率。輻照度的測量采用222 nm紫外功率計，探頭放置高度設為38 mm。測試時，每次測量時間為3 min，采樣間隔1 s，取平均值后得到燈具的輻照度值。

3 結果與討論

本文通過散熱仿真模型，得到了封閉式自然散熱燈具和循環散熱燈具的內外管壁溫度的仿真結果，分析了封閉式循環散熱燈具中的循環管道分布、風扇風速、內部流體性質等因素對燈具散熱效果的影響，并進一步分析不同輸入功率及環境溫度下的燈具散熱效果。通過實驗測量了不同溫度下光源的輻照度，從而可以計算得到封閉式循環散熱燈具較自然散熱燈具的相對輻照度大小。

3.1 仿真與實驗結果對比

圖6為封閉式自然散熱燈具的仿真與實驗圖對比，表2為不同燈具中仿真和實驗的管壁溫度結果匯總對比。實驗測得的封閉式自然散熱燈具外管壁最高溫度為256 ℃，內管壁最高為285 ℃，仿真和實驗的內、外管壁溫差均在10 ℃左右。實驗測得封閉式循環散熱燈具的外管壁最高溫度為158 ℃，內管壁為163 ℃，溫差均在10 ℃以內。這驗證了本文構建的封閉式燈具散熱模型的準確性。

表2 仿真和實驗結果對比

圖6 封閉式自然散熱燈具外管壁溫度對比Fig.6 Comparison of outer tube wall temperature of the luminaire of enclosed natural cooling type

3.2 不同參數對燈具散熱的影響

本文通過仿真分析了循環管道分布、風扇風速、燈具內部流體性質等參數對散熱效果的影響。

(1)循環管道的分布對燈具散熱的影響。循環管道是燈具內流體循環流動的必經路徑，也是將熱量傳遞至燈具各區域的重要途徑。研究不同尺寸的管道直徑對燈具散熱的影響，對于提升燈具整體的散熱效果具有重要意義。本文選取管道直徑分別為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，仿真得到燈管內、外管壁的溫度。

圖7為不同管道直徑對管壁溫度的影響?？梢钥闯?，隨著管道直徑的增大，內、外管壁的溫度均不斷下降，外管壁最高溫度從217 ℃下降至155 ℃，降低62 ℃；內管壁最高溫度從221 ℃下降至160 ℃，降低61 ℃。這表明，管道直徑的增加能夠有效地提高散熱效果，降低管壁溫度?？紤]到管道直徑的進一步增加會使得燈具尺寸進一步增大，因此接下來考慮設置雙排的循環管道結構，在未擴大燈具結構的同時，提高散熱效果。

圖7 不同管道直徑對管壁溫度的影響Fig.7 The effects of pipe diameter onwall temperature

設置雙排式的燈具散熱結構如圖8所示，雙排式的燈具結構設計一方面可以進一步擴大內部流體循環空間，另一方面也可以增加循環管道在空氣中的接觸面積，提高散熱性能。圖9為選取雙排管道直徑分別為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm下仿真得到的燈管內、外管壁的溫度?？梢钥吹?，隨著管道直徑的增加，燈管的內、外管道直徑進一步降低，外管壁溫度從192 ℃下降至151 ℃，降低41 ℃；內管壁溫度從197 ℃下降至154 ℃，降低43 ℃，同時與單排的循環管道相比，相同管道直徑下的雙排循環管道的內、外管壁溫度更低，溫度差距從6 ℃～25 ℃，這表明雙排的循環管道具有更好的散熱性能。當雙排管道直徑在8～14 mm時的內、外管壁溫度下降梯度更大，但當管道直徑大于14 mm時，溫度下降的梯度開始降低，散熱性能降低。此外考慮到更大管徑或者更多排數會使得燈具的尺寸不斷增加，不適用于實際的應用場景中。因此本文制作的燈具結構采用雙排循環管道設計，管道直徑為16 mm。

圖8 雙排循環管道的封閉式循環散熱燈具Fig.8 Enclosed circulating luminaire with double row circulating ducts

圖9 不同雙排管道直徑對管壁溫度的影響Fig.9 The effects of pipe diameter on wall temperature in double-pipe type

(2)風速對燈具散熱的影響。風速是燈具內部流體實現循環流動，并將熱量快速傳遞的關鍵。在雙排管道直徑為16 mm的基礎上選取風扇的風速分別為1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s、2 m/s分別進行仿真。圖10為風扇風速在1.4 m/s下，燈具內氣體的流速切面分布?？梢钥吹?，風速的增加可以有效提高通過燈管區域的氣體流動速度，較高的風速則能夠迅速地帶走管壁的熱量，提高換熱效果。

圖11為不同風速下的燈管的內、外管壁的溫度?？梢钥闯?，當風速在1.0～1.6 m/s時，風速的提高能夠顯著降低燈管的管壁溫度，內、外管壁的溫度下降均在15 ℃左右。當風速大于1.6 m/s時，內、外管壁溫度的下降梯度降低。這說明提高風速是能夠有效提高燈具散熱性能的方式。但由于燈具內部結構較為復雜，增加風速的同時可能會加劇循環氣流與內部結構之間的擾動碰撞，從而使得形成的渦旋流增大了流阻的梯度，進而降低了對流換熱的效果。同時考慮到風速的增加對風扇的材料特性等要求更高，因此本文設計的封閉式循環散熱燈具結構的風速為1.8 m/s。

圖11 不同風速對管壁溫度的影響Fig.11 The effects of different velocity on wall temperature

(3)流體性質對燈具散熱的影響。燈具內部流體的導熱性能好壞決定著是否能夠迅速地將燈管的管壁熱量傳遞到燈具外殼。為提高燈具的散熱效果，分析研究燈具內部的不同氣體成分對燈具散熱的影響，也是封閉類型的功率器件高效散熱的一種方式。表3為本文仿真使用的幾種氣體在25 ℃、101.325 kPa下的導熱性能參數。

表3 氣體的導熱性能參數

分別采用上述的6種氣體得到的仿真結果如圖12所示?？梢钥吹?，燈管的內、外管壁溫度隨著氣體導熱系數的增加而降低。當燈具中的氣體為氦氣時，外管壁溫度較空氣條件下降了24 ℃，內管壁溫度下降了21 ℃。當燈具中的氣體為氫氣時，外管壁溫度較空氣條件下降了29 ℃，內管壁溫度下降了27 ℃。而當氣體為氬氣時，由于氬氣的導熱系數低、氣體密度大，不易將燈管中的熱量快速帶走，因此燈管的內、外管壁溫度較高。當氣體為氮氣時，其密度和導熱系數與空氣基本一致，燈管的內、外管壁溫度也基本無明顯變化。因此使用氦氣和氫氣是提升封閉腔體散熱效果的有效手段。但考慮到氫氣在使用存在安全隱患，在實際的工程使用中可采用氦氣來提高散熱性能，同時可以根據實際的應用場景，在空氣中摻雜一定濃度的氦氣，可以用來降低溫度和控制溫度。

圖12 不同氣體成分對管壁溫度的影響Fig.12 The effects of gas composition on walltemperature

3.3 外部參數對燈具散熱的影響

(1)輸入功率對燈具散熱的影響。電源輸入功率的大小對燈具的散熱有著重要影響。一般情況下，電源的輸入功率越高，電源的輸出功率則越高，在燈具輻射效率不變的情況下，燈具光源的熱功率則越高，從而帶來更高的管壁溫度。因此，研究不同大小的電源輸入功率對燈具散熱的影響，一方面可以比較不同燈具在不同功率下的散熱情況，另一方面還檢驗本文設計的封閉式循環散熱在高功率下的散熱效果。

選取電源輸入功率分別為75 W、100 W、125 W、150 W、175 W、200 W、225 W，仿真計算封閉式自然散熱燈具和封閉式循環散熱燈具內的燈管管壁溫度差異，進一步探究兩種燈具在不同功率下的散熱效果。

圖13為不同電源輸入功率下的封閉式自然散熱燈具和循環散熱燈管管壁溫度分布對比?？梢钥闯?，兩種燈具的管壁溫度都隨著輸入功率的增加而增加，封閉式自然散熱燈具的外管壁溫度上升了192 ℃，內管壁溫度上升了182 ℃；封閉式循環散熱燈具的外管壁上升了183 ℃左右，并且封閉式循環散熱燈具內的燈管在不同輸入功率下內外管壁溫度差非常小。當輸入功率到達125 W以上時，其燈管的內外管壁溫度均超過了200 ℃，因此對于大功率準分子燈具的散熱還需要有針對性地做出改進，可進一步結合摻雜氦氣等方式提高散熱效果。

圖13 不同輸入功率的管壁溫度Fig.13 Wall temperature at different input power

(2)環境溫度對燈具散熱的影響。研究環境溫度對燈具散熱的影響有助于了解準分子燈具在不同環境溫度下的散熱效果，從而根據實際應用場景使用不同的燈具。此外，不同溫度下的仿真結果同樣可以驗證本文設計的燈具結構具有較好的適應性。

選取環境溫度分別為15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，分別仿真計算封閉式自然散熱燈具和循環散熱燈具的燈管管壁溫度差異，結果如圖14所示。封閉式自然散熱燈具的燈管外管壁上升了6 ℃、內管壁上升了4 ℃，其外管壁溫度隨著燈具環境溫度的增加，基本沒有較大變化，這是因為封閉式燈具的環境溫度主要接觸到燈具外殼，外部環境的溫度變化相對于光源的溫度而言基本忽略不計，因此對光源的散熱影響不大。而封閉式循環散熱燈具的內、外管壁溫度均上升了20 ℃，這與循環管道與外部空氣充分換熱有關。外部空氣的溫度不斷上升，使得循環管道的管壁溫度不斷上升，進而使得通過管道的流體傳遞熱量的效率降低，導致了整體散熱效果的下降。此外外部環境溫度的上升也導致了燈具外殼溫度的上升，進一步降低了整體的散熱效率。

3.4 燈管溫度對輻照度的影響

圖15為實驗測量的不同溫度下準分子光源的紫外輻照度。本文設計制作的封閉式循環散熱燈具較封閉式自然散熱燈具的燈管的外管壁溫度下降至158 ℃，內管壁下降至163 ℃。圖中a、b兩點的溫度及輻照度值可分別認為是封閉式循環散熱和封閉式自然散熱的工作狀態。因此可以看到，封閉式循環散熱燈具(a點)較封閉式自然散熱(b點)外管壁溫度降低了98 ℃，輻照度提高了17%以上。由此可以證明，本文設計的封閉式循環散熱能夠有效降低管壁的溫度，提高封閉式燈具的輻照度，也即輻射效率，滿足室內的殺菌消毒使用要求。

圖15 管壁溫度對燈具輻照度的影響Fig.15 The effect of tube temperature on ultraviolet irradiance

4 結論

本文針對準分子光源在室內等通風條件較差的應用場景，設計了一種封閉式循環散熱燈具，并分析循環管道排布、風扇風速、流體性質等參數對燈具散熱效果的影響，最終確定燈具在雙排循環管道下最優的散熱結構，并與封閉式自然燈具進行比較。結果表明，雙排循環散熱燈具內準分子燈管的外管壁溫度從256℃下降至158 ℃，內管壁溫度從285 ℃下降至163 ℃，有效降低了管壁溫度，光源的輻照度提高了17%以上。此外，還進一步分析了不同輸入功率和環境溫度下燈具的散熱性能，指出可以通過結合摻雜氦氣等方式來滿足更高功率和環境溫度的散熱應用場景。