劉 杰，王佳琦，韓秋漪，張善端

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200438)

引言

截至2023年5月17日，世衛(wèi)組織宣布新冠病毒已導(dǎo)致全球死亡病例超過693萬例[1]。由于新毒株的不斷產(chǎn)生和變異，新冠病毒的傳染性不斷增強。研究表明，再次感染的死亡風(fēng)險為首次感染的2.17倍，住院風(fēng)險為3.32倍[2]，因此新冠病毒仍是人類面臨的重大衛(wèi)生安全問題。

KrCl準(zhǔn)分子燈發(fā)出的222 nm窄帶輻射處于遠(yuǎn)紫外波段，能夠有效對包括新冠病毒在內(nèi)的細(xì)菌、真菌和病毒進(jìn)行滅活[3，4]。Cadet[5]通過實驗驗證了222 nm準(zhǔn)分子燈照射大鼠的皮膚和眼部組織時不會產(chǎn)生有害影響。與紫外殺菌常用的254 nm輻射相比，222 nm對眼睛是安全的。相同的600 mJ/cm2輻射劑量下，222 nm輻射對眼睛的角膜未發(fā)生損傷，而254 nm輻射則造成了角膜的脫落[6]。Kaidzu等[7]通過222 nm照射人體皮膚的實驗，驗證了該波長對人體皮膚未造成明顯的有害影響。因此222 nm準(zhǔn)分子燈發(fā)出的紫外輻射在一定劑量內(nèi)不會對眼睛和皮膚造成傷害，可以實現(xiàn)人體和紫外殺菌設(shè)備共存，從而能夠廣泛應(yīng)用于未來殺菌消毒領(lǐng)域[8，9]。

222 nm準(zhǔn)分子燈的工作原理為介質(zhì)阻擋放電，即燈管內(nèi)填充的Kr和Cl2兩種氣體在內(nèi)外電極的高頻高壓作用下被電離和激發(fā)，產(chǎn)生處于激發(fā)態(tài)的雙原子分子KrCl*，即KrCl準(zhǔn)分子。隨后KrCl準(zhǔn)分子通過能級躍遷輻射出光子，產(chǎn)生峰值波長為222 nm的紫外輻射。一般以正弦電源驅(qū)動的準(zhǔn)分子光源的輻射效率僅為3%～5%[10，11]。絕大部分的電源輸出功率轉(zhuǎn)換為熱功率，導(dǎo)致準(zhǔn)分子燈在工作時管壁溫度較高，不利于準(zhǔn)分子的形成，且會導(dǎo)致準(zhǔn)分子在熱量的作用下分解淬滅，進(jìn)一步降低了輻射效率。因此需要采取有效的燈具系統(tǒng)熱管理手段，來降低準(zhǔn)分子燈的表面溫度，從而提高整個燈具的輻射效率，實現(xiàn)高效安全的殺菌效果。

目前燈具常見的散熱方式包括風(fēng)冷、液冷、半導(dǎo)體制冷等主動散熱方式[12-14]和添加翅片、基板、熱管等被動散熱方式[15-17]。傳統(tǒng)的氣體放電燈由于放電機理以及結(jié)構(gòu)和材料的影響，較多采用被動散熱方式。謝方振等[18]發(fā)明了可以在調(diào)節(jié)出光角度的同時利用包括翅片等散熱體進(jìn)行散熱處理。裘之青[19]發(fā)明了一種能夠節(jié)能的HID光源裝置，通過在空腔內(nèi)設(shè)置導(dǎo)熱樹脂實現(xiàn)高效導(dǎo)熱，實現(xiàn)了節(jié)能照明和高效散熱。

由于準(zhǔn)分子燈管通常采用同軸結(jié)構(gòu)，即管體由內(nèi)外兩根石英管同軸放置并封接而成，分別安裝內(nèi)外電極構(gòu)成燈管。一般的被動散熱方式無法直接接觸熱源，燈具對燈管的散熱效果較小，因此準(zhǔn)分子燈的散熱對燈具設(shè)計提出了新的要求。目前國內(nèi)外對準(zhǔn)分子燈具的散熱分析的報道較少，對于燈管散熱的處理通常采用風(fēng)冷、水冷散熱的方式來提高輻射效率[20，21]，但未對散熱效果及燈具輻射效率的影響進(jìn)行具體的定量分析。因此有必要對準(zhǔn)分子燈具進(jìn)行散熱優(yōu)化設(shè)計，并對燈具輻射效率的影響進(jìn)行評估分析，提高燈具的散熱能力和輻射效率。

針對同軸準(zhǔn)分子燈的結(jié)構(gòu)特征，對通孔式和單風(fēng)扇式燈具結(jié)構(gòu)熱仿真分析的基礎(chǔ)上，基于并聯(lián)管路的流量分配模型仿真設(shè)計制作了一種雙風(fēng)扇漏斗式燈具結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)燈具能夠有效降低準(zhǔn)分子燈管壁溫度，同時基本保持內(nèi)外管壁溫度一致，提高輻射效率。

1 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真建模

1.1 并聯(lián)管路的流量分配模型

準(zhǔn)分子光源系統(tǒng)包括燈管和燈具。圖1為通過SolidWorks三維建模軟件構(gòu)建的同軸準(zhǔn)分子燈管結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)外石英管、內(nèi)外電極、燈頭、放電氣體、聚四氟乙烯，其中放電氣體為Kr和Cl2兩種氣體，總氣壓為250 mbar。燈管的總長為260 mm，內(nèi)部石英管內(nèi)直徑16 mm、壁厚1 mm，外部石英管外徑40 mm、壁厚2 mm。采用風(fēng)冷散熱方式時，外部空氣從燈管右端進(jìn)入，一部分從外管壁表面經(jīng)過，另一部分則進(jìn)入到內(nèi)管中。流體進(jìn)入到內(nèi)管的內(nèi)管壁區(qū)域和外管的外管壁區(qū)域的過程類似并聯(lián)管路中主干中的流體進(jìn)入到兩個分支管路的流量分配過程，因此可以根據(jù)并聯(lián)管路的流量分配理論公式來優(yōu)化準(zhǔn)分子燈具的散熱結(jié)構(gòu)。

圖1 準(zhǔn)分子燈管的三維模型Fig.1 3D model ofthe excimer lamp

在并聯(lián)管路中，當(dāng)流體通過多個分支的管道時，由于起點壓力和終點壓力相同，因此分支管路的阻力損失也必然相同。阻力損失的計算式[22]為：

(1)

其中，f為局部阻力損失；ρ為流體密度；λ為摩擦系數(shù)；l、d為管長和管徑；le是局部阻力的當(dāng)量長度；u為流體速度。

對于湍流的管道，摩擦系數(shù)不再和雷諾數(shù)相關(guān)，其取值僅取決于相對粗糙度[22]，即

(2)

其中，ε為管道的絕對粗糙度；d為管徑。

而對于每條分支的管路，流量Q的計算式為：

(3)

從而得到阻力損失為：

(4)

同時由于Δf1=Δf2，因此對于兩條并聯(lián)管路之間的流量分配為：

(5)

由式(5)可知，當(dāng)摩擦系數(shù)λ相同時，分配到各個分支管路上的流量與管徑的2.5次方成正比。

準(zhǔn)分子燈管的外管外直徑d1=40 mm，內(nèi)管內(nèi)直徑d2=14 mm。假設(shè)燈管的紫外輻射效率為4%，則電源輸出功率即燈功率56 W對應(yīng)產(chǎn)生的熱功率為53.8 W。考慮到準(zhǔn)分子燈管尺寸較大，功率密度較低，熱功率的微小變化對實際散熱產(chǎn)生的影響較小，因此可將熱功率近似認(rèn)為54 W。則內(nèi)外管的熱流密度為：

(6)

即：

(7)

從而可得外管與內(nèi)管的流量分配與熱流密度關(guān)系：

(8)

對于準(zhǔn)分子燈內(nèi)外管壁而言，其外管壁管路截面積大于內(nèi)管壁管路截面積，使得外管分配到的風(fēng)量越高，熱流密度越低，溫度越低。管壁溫度能夠表征燈管的散熱效果，內(nèi)外管壁溫度越高，散熱效果越差，燈管的輻射效率越低。此外，內(nèi)外管壁的溫差較大時，也會影響輻射效率的提升。因此要做到管壁溫度的下降和內(nèi)外管壁溫度基本一致，需要增加內(nèi)管壁管路截面積，提高內(nèi)管壁的流量分配，從而提高散熱效果，這為后續(xù)的散熱燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1.2 光源系統(tǒng)的三維模型

圖2為準(zhǔn)分子光源系統(tǒng)的三維模型。根據(jù)兩側(cè)隔板的不同，燈具類型可分為通孔式和單風(fēng)扇式。通孔式燈具采用兩側(cè)通孔擋板；單風(fēng)扇式燈具一側(cè)采用帶風(fēng)扇的擋板，另一側(cè)為通孔擋板，風(fēng)速設(shè)為1 m/s。燈具的整體尺寸為320 mm×120 mm×135 mm，燈具內(nèi)結(jié)構(gòu)包括燈具外殼、反射器、濾光片、電路板、固定板等。其中反射器用于將燈管后向發(fā)出的光反射出去，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波段。

圖2 準(zhǔn)分子光源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)三維模型Fig.2 3D model of excimer light source system

1.3 雙風(fēng)扇漏斗式燈具設(shè)計

基于并聯(lián)管路理論模型設(shè)計了一種雙風(fēng)扇漏斗式燈具散熱結(jié)構(gòu)。圖3為該燈具的整體及漏斗安裝結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇、漏斗、出風(fēng)風(fēng)扇、隔板、燈具延長體及燈具主體結(jié)構(gòu)，燈具總長較原燈具增加20 mm，燈具體積未明顯增大，漏斗口徑較大一側(cè)外徑為32 mm、內(nèi)徑為9 mm、壁厚2 mm，同時相對常見的2種燈具，雙風(fēng)扇漏斗式燈具在燈管處設(shè)置隔板，并在燈管固定板處增設(shè)通孔來實現(xiàn)內(nèi)外部空氣的對流換熱。進(jìn)出口雙風(fēng)扇的設(shè)置強化了對流換熱過程，如使用單風(fēng)扇獲得與雙風(fēng)扇相同的風(fēng)速，需要更大的電流來提高風(fēng)速，噪音會更大，風(fēng)扇的壽命也會縮短。安裝時漏斗結(jié)構(gòu)口徑較小的一側(cè)正對著燈管的內(nèi)管口，口徑大小與燈管的內(nèi)管內(nèi)徑一致。漏斗結(jié)構(gòu)另一側(cè)正對著風(fēng)扇，以增大內(nèi)管對風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)的收集，從而保證了降低管壁溫度的同時，還能夠使內(nèi)外管壁的溫度基本一致。此外漏斗的固定采用肋條結(jié)構(gòu)，降低了風(fēng)扇流量與漏斗固定件的碰撞消耗。風(fēng)扇工作時，漏斗對準(zhǔn)的風(fēng)扇區(qū)域?qū)⒘髁糠峙涞絻?nèi)管，超出漏斗口的風(fēng)扇區(qū)域?qū)⒘髁糠峙涞酵夤軈^(qū)域。

圖3 雙風(fēng)扇漏斗式燈具結(jié)構(gòu)Fig.3 3D model of double-fan funnel-type Luminaire

1.4 仿真計算

準(zhǔn)分子光源系統(tǒng)的散熱仿真采用COMSOL軟件來實現(xiàn)。將前文所述的燈具進(jìn)行簡化處理，刪除螺孔、凹槽等微小結(jié)構(gòu)后導(dǎo)入COMSOL軟件后設(shè)置域參數(shù)，各部分材料參數(shù)及導(dǎo)熱特性見表1。考慮到實驗過程中無法用紅外熱像儀透過低通濾光片直接測量燈管的管壁溫度，而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晶體來代替低通濾光片進(jìn)行仿真。此外，燈管放電過程中主要是Kr和Cl2進(jìn)行反應(yīng)，由于Cl2的氣體含量遠(yuǎn)低于Kr的含量，且Kr和Cl2的導(dǎo)熱系數(shù)比較接近，因此仿真模型采用Kr代替兩者的混合氣體作為熱源進(jìn)行計算。

表1 材料的導(dǎo)熱特性

仿真模型中，設(shè)置初始環(huán)境溫度為26 ℃，對流換熱系數(shù)為10 W·m-2·K-1，燈管的熱功率為54 W。針對不同類型燈具中空氣的流動狀態(tài)，需要設(shè)置不同的散熱邊界條件。對于通孔式燈具，由于沒有明確的流入流出空氣對流，因此在兩側(cè)擋板處設(shè)置開放邊界約束，使得同一截面處同時包括流入和流出。對單風(fēng)扇式燈具，在兩側(cè)擋板處設(shè)置流入、流出的壓力和風(fēng)速邊界約束。對于雙風(fēng)扇式和雙風(fēng)扇漏斗式燈具，則按照風(fēng)扇式燈具設(shè)置流入、流出的風(fēng)速等邊界條件。單風(fēng)扇式燈具中的風(fēng)扇為出風(fēng)口風(fēng)扇，風(fēng)速為1 m/s。雙風(fēng)扇式燈具中的風(fēng)扇一側(cè)為進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇，另一側(cè)為出風(fēng)風(fēng)扇。出風(fēng)口風(fēng)扇的風(fēng)速設(shè)為1.8 m/s，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)扇的風(fēng)速為4 m/s。

2 實驗方法和設(shè)置

2.1 測試樣品

圖4為通孔式和單風(fēng)扇式燈具的實物圖，其中通孔式燈具兩側(cè)均為通孔式擋板；單風(fēng)扇式燈具一側(cè)為風(fēng)扇，另一側(cè)為通孔式擋板。圖5(a)和(b)為雙風(fēng)扇漏斗式燈具的實物圖及漏斗結(jié)構(gòu)的局部圖，其中燈具延長體及漏斗結(jié)構(gòu)采用3D打印制作，降低了燈具的重量。

圖4 燈具：(a)通孔式燈具；(b)單風(fēng)扇式燈具Fig.4 Luminaires：(a)through-hole type；(b)single fan type

圖5 雙風(fēng)扇漏斗式燈具：(a)燈具整體圖；(b)漏斗結(jié)構(gòu)Fig.5 The double-fan funnel type luminaire (a)whole picture；(b)funnel structure

實驗過程中采用脈寬調(diào)制(PWM)電路來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)速，從而調(diào)整燈管的管壁溫度。PWM電路由開關(guān)電源供電，獨立于燈管的驅(qū)動電源。風(fēng)扇的調(diào)速區(qū)間為：進(jìn)風(fēng)口，0～4 m/s；出風(fēng)口，0～1.8 m/s。風(fēng)速采用葉輪風(fēng)速測量儀(Testo 410-1)進(jìn)行測量。

2.2 實驗測量

(1)電參數(shù)測量。測量電源的輸入輸出功率能夠為仿真和后續(xù)的實驗提供數(shù)據(jù)參考。輸入功率不包括風(fēng)扇的功耗，僅為驅(qū)動燈管的功率，通過功率計(Yokogawa WT310)進(jìn)行測量，測量時采用穩(wěn)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。測量需要在點燈20 min穩(wěn)定工作后再進(jìn)行。測量結(jié)果：輸入功率為72.2 W，輸出功率為56.1 W。

(2)光熱參數(shù)測量。通過紅外熱像儀測量燈管的內(nèi)外管壁溫度，同時利用紫外功率計(Hamamatsu，主機C8026，探頭H8025-222)測量燈具出光口法線上距離低通濾光片38 cm的輻照度值，用來評估輻射強度的相對大小。

圖6為輻射測試示意圖，包括紫外輻射測試設(shè)備和風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置。測試過程中首先通過風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置設(shè)定不同的PWM值，并測量該值下燈具穩(wěn)定工作的管壁溫度。隨后將ZnSe晶體更換為低通濾光片，設(shè)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的燈具輻照度的相對大小。

圖6 輻射測試平臺示意圖Fig.6 Schematic diagram of radiation measurement

溫度測量時，將低通濾光片替換為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(nèi)外管壁溫度，根據(jù)ZnSe晶體的紅外透過率隨波長的關(guān)系可得到在紅外熱像儀工作波段為8～14 μm的透過率為73%。在熱參數(shù)測量過程中，需要將光源點亮20 min，熱穩(wěn)定后再進(jìn)行溫度測量。溫度拍攝時應(yīng)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。

目前一般采用Keitz公式[23]測量準(zhǔn)分子光源的輻射功率，但該公式適用于將準(zhǔn)分子燈管認(rèn)為是線光源的情況下。而將燈管放置在燈具中時，由于反射器的存在，燈具的輻射功率不再適用Keitz公式。但對于同一結(jié)構(gòu)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，用來評估輻射效率的變化趨勢。222 nm紫外功率計探頭放置高度設(shè)為38 mm。測試時，每次測量時間為3 min，取平均值后得到燈具的輻照度值。

3 結(jié)果與討論

通過散熱仿真模型得到了通孔式、單風(fēng)扇式、雙風(fēng)扇式及雙風(fēng)扇漏斗式燈具的內(nèi)外管壁溫度的仿真結(jié)果，并在單風(fēng)扇式燈具的燈管固定板上增大孔徑、添加隔板、調(diào)整風(fēng)速等實現(xiàn)燈具散熱效果的優(yōu)化。實驗測量了準(zhǔn)分子燈電源的輸入輸出功率、內(nèi)外管壁的溫度和準(zhǔn)分子光源的輻照度。

3.1 仿真與實驗結(jié)果對比

圖7(a)為通孔式燈具的熱仿真結(jié)果偽色圖，可見燈管中間區(qū)域的溫度較高，外管壁最高溫度為247 ℃，而燈具外殼的溫度較環(huán)境溫度26 ℃有所上升，但整體溫度不高。這表明對準(zhǔn)分子燈具而言，燈管在工作時產(chǎn)生的大部分熱量無法通過燈具內(nèi)的空氣傳導(dǎo)對流至燈具外殼的表面，散熱效果不佳。

圖7 通孔式燈具外管壁溫度Fig.7 The temperature of outer tube of through-hole luminaire

圖7(b)為采用紅外熱像儀透過ZnSe晶體拍攝得到燈管的管壁溫度，可見外管壁最高溫度為242 ℃，與仿真結(jié)果的溫度差距在5 ℃左右，驗證了通孔式燈具散熱模型的準(zhǔn)確性，能夠比較準(zhǔn)確地反映準(zhǔn)分子燈在燈具內(nèi)的散熱情況。

由于在熱參數(shù)測量時采用ZnSe窗片來代替原有的鍍膜石英板低通濾光片，因此需要根據(jù)兩者的材料分別進(jìn)行仿真來確定更換材料是否對燈管的管壁溫度產(chǎn)生影響。采用通孔式燈具結(jié)構(gòu)來驗證管壁溫度分別在ZnSe窗片和低通濾光片的變化情況。仿真結(jié)果得到裝有低通濾光片的封閉式燈具外管壁溫度最高為247 ℃，內(nèi)管壁最高溫度為244 ℃；設(shè)有ZnSe窗片的封閉式燈具外管壁溫度最高為245 ℃，內(nèi)管壁最高為243 ℃?？梢缘贸鰞煞N材料對準(zhǔn)分子燈具的管壁溫度差別為1～2 ℃，影響較小，原因在于與周圍的鋁制燈具外殼相比，石英板和ZnSe窗片的導(dǎo)熱系數(shù)均較低，對散熱效果的影響不大。因此將低通濾光片更換成ZnSe窗片對燈管管壁溫度的影響基本可以忽略，后續(xù)的仿真設(shè)計將采用ZnSe窗片代替。

表2為4種燈具結(jié)構(gòu)仿真與實驗結(jié)果匯總對比。結(jié)果表明，4種準(zhǔn)分子燈具散熱模型的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的溫度差別為2～10 ℃。誤差的來源主要在仿真過程中如螺孔、燈具內(nèi)部鑲嵌凹槽等微小結(jié)構(gòu)采用簡化處理，同時簡化了熱源氣體的設(shè)置，此外網(wǎng)格的劃分對仿真也存在一定的影響，從而不可避免地存在一定的仿真誤差。本文建立的散熱仿真模型在整體上與實驗測量結(jié)果相符，表明構(gòu)建的三維結(jié)構(gòu)和散熱仿真模型可以用于準(zhǔn)分子燈具的散熱優(yōu)化、熱參數(shù)預(yù)測等研究中。

表2 仿真和實驗結(jié)果對比

3.2 不同參數(shù)對燈具散熱的影響

通過仿真結(jié)果對比分析了開孔結(jié)構(gòu)、隔板位置、風(fēng)速等參數(shù)對散熱效果的影響。

(1)燈管固定板增設(shè)通孔對溫度的影響。燈管固定板的作用主要是將燈管懸空固定到燈具中。根據(jù)上文的仿真結(jié)果可知，燈管固定板阻礙了外部空氣進(jìn)入到燈管的外管壁與燈具之間的區(qū)域，影響了外管壁區(qū)域和外部空氣的對流換熱，使得其降溫的梯度相對內(nèi)管而言較為緩慢。因此需要考慮在燈管固定板上增設(shè)通孔，提高外管壁與外部空氣的對流交換效率。

在固定板上依次開設(shè)孔徑為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的通風(fēng)孔徑來研究不同孔徑大小對管壁溫度的影響，孔徑的位置如圖8所示。圖9為準(zhǔn)分子燈具在風(fēng)速1 m/s時仿真得到的內(nèi)、外管壁溫度隨孔徑的變化。隨著固定板上孔徑的增大，外管壁溫度逐漸降低，尤其當(dāng)孔徑處于0～2 mm之間時，外管壁溫度下降了25 ℃，說明固定板確實存在阻礙外部空氣進(jìn)入到外管壁區(qū)域的影響。隨著孔徑的增大，外管壁溫度進(jìn)一步下降。但內(nèi)管壁的溫度隨著固定板孔徑的增大開始上升，孔徑為10 mm時的內(nèi)管壁溫度較孔徑為0 mm時的內(nèi)管壁溫度上升了7 ℃，且孔徑為0 mm時的內(nèi)管壁溫度低于外管壁溫度，而孔徑10 mm時的內(nèi)管壁溫度則高于外管壁溫度。根據(jù)并聯(lián)管路流量分配的理論，增設(shè)固定板的孔徑會使得進(jìn)入燈具的空氣更多地進(jìn)入到外管壁與反射器和出光窗口之間的區(qū)域，進(jìn)而減少了進(jìn)入到內(nèi)管壁區(qū)域的風(fēng)量，從而導(dǎo)致外管壁的溫度不斷下降，內(nèi)管壁的溫度出現(xiàn)小幅上升。但從溫度的變化趨勢來看，隨著孔徑的不斷增大，外管壁溫度的下降幅度要遠(yuǎn)大于內(nèi)管壁溫度的上升幅度，同時考慮到此時內(nèi)、外管壁的溫度仍較高，因此可以通過盡可能地增大孔徑來提高外管壁的散熱效果。對于內(nèi)管壁的散熱可以在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計過程中進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 燈管固定板上的孔徑變化Fig.8 The aperture change on the tube fixing plate

圖9 燈管固定板上的孔徑對管壁溫度的影響Fig.9 The effects of aperture on tube wall temperature

(2)燈具隔板位置對溫度的影響。對于現(xiàn)有的單風(fēng)扇式燈具，風(fēng)扇將外部空氣通過燈具右端的進(jìn)風(fēng)孔吸入燈具，外部的空氣一部分進(jìn)入燈管的內(nèi)、外管壁區(qū)域，另一部分進(jìn)入到反射器下方的電路板區(qū)域。電路板熱功率小，實際的散熱需求并不大。因此在實際的散熱過程中可以設(shè)置隔板，使得大部分的空氣流體流入燈管區(qū)域，少部分進(jìn)入到電路板區(qū)域保持其正常工作即可。

如圖10所示，通過在燈具右端的每一排進(jìn)風(fēng)孔的垂直相切處依次設(shè)置隔板，隔板的尺寸為114 mm×27 mm×2 mm，其寬度與固定板到右側(cè)通孔擋板的距離基本一致。通過隔板的設(shè)置可以將右側(cè)擋板的進(jìn)風(fēng)孔分隔區(qū)域，通過隔板上方進(jìn)風(fēng)孔的外部空氣進(jìn)入到燈管區(qū)域，通過隔板下方進(jìn)風(fēng)孔的外部空氣進(jìn)入到電路板區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對流交換。設(shè)置隔板初始位置距離燈具內(nèi)部外殼的頂端距離d為65 mm，依次為77 mm、89 mm、101 mm、113 mm，實現(xiàn)隔板上方進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入到燈管的外部風(fēng)量不斷增加，進(jìn)入到電路板區(qū)域風(fēng)量不斷減少。

圖10 燈具中的隔板位置變化Fig.10 The change of the position of the partition in the luminaire

圖11為仿真得到的單風(fēng)扇式燈具在出風(fēng)口風(fēng)速為1 m/s下，隔板距離從65～113 mm變化范圍內(nèi)燈管內(nèi)、外管壁溫度結(jié)果。結(jié)果表明，隨著距離d的不斷增大，燈管的內(nèi)、外管壁的溫度均有所下降。而當(dāng)隔板距離為65 mm時，外部空氣進(jìn)入到進(jìn)風(fēng)孔區(qū)域的風(fēng)量較小，大部分的風(fēng)量通過擋板下方的進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入到電路板區(qū)域，因此使得該位置下的管壁溫度較無隔板時的溫度高。而當(dāng)隔板距離為113 mm時，大部分的外部空氣可以通過隔板上方的進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入到燈管中，增強了對流換熱的能力，實現(xiàn)內(nèi)、外管壁溫度的降低。此外，考慮到燈管固定板對空氣進(jìn)入到燈管外管壁區(qū)域的阻礙作用，外管壁溫度下降相對于內(nèi)管壁溫度下降的速度較為緩慢，因此需要在后續(xù)的優(yōu)化中考慮增設(shè)孔徑實現(xiàn)外管壁散熱效果的提升。

圖11 隔板位置對管壁溫度的影響Fig.11 The effects of partition position on tube wall temperature

(3)風(fēng)速對溫度的影響。根據(jù)上文的優(yōu)化設(shè)計可知，在燈具內(nèi)添加隔板和在燈管固定板上增設(shè)孔徑可以提高外部空氣進(jìn)入燈管的對流效率，提高散熱效果。但對于準(zhǔn)分子燈具而言，由于燈管位于燈具的懸空位置處，僅通過添加隔板和在燈管固定板上增設(shè)孔徑實現(xiàn)的散熱效果有限，因此需要通過提高風(fēng)速來改善散熱效果。

圖12為不同風(fēng)速下準(zhǔn)分子燈的內(nèi)、外管壁溫度的仿真結(jié)果。隨著風(fēng)速的增加，內(nèi)、外管壁的溫度均降低。風(fēng)速在0.4～1.8 m/s時，內(nèi)、外管壁的溫度迅速下降，但當(dāng)風(fēng)速>1.8 m/s時，溫度下降的趨勢較為平緩，說明風(fēng)速在降低內(nèi)、外管壁溫度的效果上存在一定的局限性，風(fēng)速在一定區(qū)間內(nèi)可以有效提升對流換熱的效率，大于該區(qū)間后雖然仍可以改善散熱效果，但需要的風(fēng)速增加量大幅度提高。此外風(fēng)速提高的同時，風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音也更大，不利于燈具的實際應(yīng)用場景，并且高風(fēng)速意味著需要更大的輸入電流，不利于風(fēng)扇的長期工作。因此，比較理想的出風(fēng)口風(fēng)速應(yīng)該設(shè)置在1.8 m/s左右。

圖12 風(fēng)速對燈管管壁溫度的影響Fig.12 The effects of wind speed on tube wall temperature

根據(jù)上述的散熱優(yōu)化結(jié)果，當(dāng)隔板距離為113 mm時能夠使得外部空氣盡可能進(jìn)入到燈管區(qū)域，同時在燈管固定板上增設(shè)孔徑開孔，使得空氣進(jìn)入到外管壁區(qū)域以提高散熱效果。此外，出風(fēng)口風(fēng)速在1.8 m/s左右時，散熱效果和實際成本較為理想。不同參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計為后續(xù)提出雙風(fēng)扇漏斗式結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)分子燈具結(jié)構(gòu)提供了參考。

3.3 內(nèi)外管壁的溫度分布

(1)通孔式和單風(fēng)扇式燈具散熱仿真分析。從表2可以得到通孔式和單風(fēng)扇式燈具外管壁最高溫度依次為247 ℃和191 ℃，內(nèi)管壁最高溫度依次為244 ℃和152 ℃。結(jié)果表明，隨著燈具內(nèi)部熱流與外部空氣對流換熱可能性的增加，內(nèi)外管壁的溫度能夠有效降低?？梢妼τ跍?zhǔn)分子燈具，內(nèi)部熱流和外部空氣的氣體交換能夠有效地降低內(nèi)外管壁的溫度，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo)思路。

通孔式和單風(fēng)扇式燈具內(nèi)管壁溫度降幅較大，但外管壁溫度降幅較小，主要是由于燈管固定板阻礙了外部空氣進(jìn)入到外管壁區(qū)域，影響了對流換熱的效果，使得外管壁溫度降低的幅度較小，而此時外部空氣則能夠進(jìn)入到內(nèi)管壁區(qū)域，增強了對流換熱的能力，使得內(nèi)管壁的溫度降幅較大。通孔式燈具的內(nèi)外管壁的溫度差距較小，主要是因為內(nèi)管區(qū)域能夠?qū)崃髦苯訌膬蓚?cè)擋板的通孔流出，同時與外部空氣進(jìn)行氣流換熱，從而使得其溫度下降效果明顯，而外管區(qū)域由于燈具中的固定板結(jié)構(gòu)阻礙其熱流的流出，因此溫度的降幅不大。單風(fēng)扇式燈具的內(nèi)管壁溫度比外管壁溫度低39 ℃，原因是通過風(fēng)扇產(chǎn)生的強制空氣對流強化了通孔式燈具的散熱過程，使得內(nèi)管壁的對流換熱效果更加明顯。

因此，通孔式和單風(fēng)扇式燈具在溫度分布上存在工作溫度較高、內(nèi)外管壁溫度不一致等問題，降低了燈管的輻射效率，需要在燈具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高散熱效果。

(2)雙風(fēng)扇漏斗式燈具散熱仿真分析。如圖13所示，燈具采用雙風(fēng)扇散熱結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)兩個風(fēng)扇實現(xiàn)燈具和外部空氣的高效率對流換熱，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)扇風(fēng)速為4 m/s、出風(fēng)口風(fēng)速為1.8 m/s。外管壁最高溫度在96 ℃、內(nèi)管壁溫度最高為114 ℃。結(jié)果表明，燈具的內(nèi)外管壁的溫度顯著下降，散熱性能良好。但此時對于流體而言，外管壁的截面積大于內(nèi)管壁的截面積，因此外部空氣將更多地進(jìn)入到外管壁區(qū)域，使得內(nèi)外管壁溫度差距不斷擴大，進(jìn)而容易導(dǎo)致燈管放電發(fā)光過程的不穩(wěn)定，降低輻射效率。

圖13 雙風(fēng)扇式燈具仿真溫度分布：(a)外管壁；(b)內(nèi)管壁Fig.13 Thermal simulation of double fan luminaire：(a)outer tube；(b)inner tube

圖14為雙風(fēng)扇漏斗式燈具中，漏斗粗口端的直徑變化對內(nèi)外管壁溫度的影響。結(jié)果表明，隨著漏斗直徑的不斷增大，內(nèi)管壁溫度不斷下降，外管壁溫度不斷上升。這主要在于漏斗直徑的增大，提高了風(fēng)扇進(jìn)入內(nèi)管壁區(qū)域的風(fēng)量，使得內(nèi)管壁溫度不斷下降。考慮到當(dāng)漏斗直徑超過35 mm時，漏斗較難裝配進(jìn)入燈具且難以保持與燈管的內(nèi)管壁同軸放置，因此漏斗粗口端的直徑為32.5 mm，該直徑下的內(nèi)管壁溫度已基本保持一致。圖15為雙風(fēng)扇漏斗式燈具的仿真結(jié)果圖，可以看出外管壁最高溫度在107 ℃、內(nèi)管壁溫度最高為108 ℃。結(jié)果表明，該燈具散熱結(jié)構(gòu)較風(fēng)扇式燈具和僅設(shè)置雙風(fēng)扇燈具結(jié)構(gòu)，能夠在有效降低內(nèi)外管壁溫度的同時，保持了內(nèi)外管壁溫差的基本一致。

圖14 漏斗直徑對管壁溫度的影響Fig.14 The effect of funnel diameter on tube temperature

圖15 雙風(fēng)扇漏斗式燈具仿真溫度分布：(a)外管壁；(b)內(nèi)管壁Fig.15 Thermal simulation of double fan funnel luminaire：(a)outer tube；(b)inner tube

3.4 燈管溫度對輻照度的影響

圖16為實驗測得的雙風(fēng)扇漏斗式的燈具散熱結(jié)構(gòu)在不同管壁溫度下的紫外輻照度變化曲線。實驗時通過PWM電路來調(diào)整風(fēng)速以實現(xiàn)對燈管管壁溫度的調(diào)節(jié)，從而可以測量不同管壁溫度下的燈具輻照度。實驗結(jié)果表明，燈具的管壁溫度對燈具的輻照度存在較大的影響。其他條件相同的情況下，管壁溫度越高，燈具的輻照度越低，因此降低管壁溫度有助于提高燈具的紫外輻射效率。在燈具管壁溫度大于200 ℃時，溫度每下降10 ℃，輻照度可提升2.6%左右；當(dāng)溫度在130 ℃～200 ℃之間，溫度每下降10 ℃，輻照度可提升1.8%左右；當(dāng)溫度小于130 ℃時，每下降10 ℃，輻照度僅提升1%左右。因此對于準(zhǔn)分子燈具而言，在進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮散熱設(shè)計使成本增加和輻射效率提升使成本降低之間的平衡。

圖16 管壁溫度對燈具輻照度的影響Fig.16 Relationship between the tube temperature and ultraviolet irradiance

雙風(fēng)扇漏斗式的燈具散熱結(jié)構(gòu)與常見的封閉式、通孔式、風(fēng)扇式燈具在燈具的整體空間上基本一致，燈具內(nèi)安裝的準(zhǔn)分子燈管相同，因此雙風(fēng)扇漏斗式的燈具中在不同風(fēng)速下測得的燈管管壁溫度可以代表相同管壁溫度下的其他燈具的工作狀態(tài)。根據(jù)表2的仿真和實驗結(jié)果，可以認(rèn)為圖16中a、b兩點的溫度及輻照度值代表了雙風(fēng)扇漏斗式燈具、單風(fēng)扇式燈具的工作狀態(tài)。雙風(fēng)扇漏斗式燈具(a點)較風(fēng)扇式燈具(b點)外管壁溫度降低了78 ℃，輻照度提高了10.8%。由此可得，雙風(fēng)扇漏斗式的燈具散熱結(jié)構(gòu)，能夠有效降低管壁的溫度，提高燈具的輻射效率。

4 結(jié)論

對通孔式和單風(fēng)扇式2種準(zhǔn)分子燈具進(jìn)行熱仿真，分析了現(xiàn)有燈具的散熱問題，基于并聯(lián)管路流量分配模型設(shè)計制作了一種雙風(fēng)扇漏斗式燈具散熱結(jié)構(gòu)，能夠在有效降低準(zhǔn)分子燈管內(nèi)外管壁溫度的同時，保持了內(nèi)外管壁溫度的一致性，提高了光源系統(tǒng)的輻射效率。該系統(tǒng)內(nèi)準(zhǔn)分子燈管的內(nèi)外管壁溫度基本保持在100 ℃左右，較單風(fēng)扇式燈具外管壁溫度降低了78 ℃，輻照度提高了10.8%。實驗結(jié)果也證實了該燈具具備卓越的散熱效果，提高了光源的紫外輻射效率。因此該燈具有望能夠降低準(zhǔn)分子燈的使用成本，提高殺菌和滅活病毒的效率，提升了準(zhǔn)分子燈在公共衛(wèi)生安全事件中廣泛應(yīng)用的可能性。