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

準(zhǔn)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(zhǎng)、無汞污染等優(yōu)勢(shì)[1]，在半導(dǎo)體和面板光清洗、光化學(xué)合成等領(lǐng)域有比較廣泛的應(yīng)用。近年來，有研究表明[2-5]，KrCl準(zhǔn)分子燈發(fā)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(shí)，又不會(huì)對(duì)人的眼睛和皮膚造成傷害，適合人機(jī)共存的殺菌消毒場(chǎng)景，因此成為新的關(guān)注焦點(diǎn)。

但準(zhǔn)分子燈在使用時(shí)，高壓電極可能對(duì)空氣放電，容易產(chǎn)生臭氧。在通風(fēng)條件較差的室內(nèi)環(huán)境下，臭氧會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。對(duì)于應(yīng)用在室內(nèi)等通風(fēng)條件較差環(huán)境下的準(zhǔn)分子光源，需要采取封閉阻隔的燈具設(shè)計(jì)，以避免臭氧的溢出。而封閉式的燈具設(shè)計(jì)又不可避免地帶來光源系統(tǒng)散熱效果的降低。因此，設(shè)計(jì)一種能夠阻隔臭氧，同時(shí)具有高效散熱效果的燈具結(jié)構(gòu)，具有一定的工程價(jià)值和意義。目前準(zhǔn)分子光源的研究主要圍繞光源的石英管壁厚度、驅(qū)動(dòng)波形、氣體成分和氣壓等因素[6-9]對(duì)準(zhǔn)分子燈輻射效率的影響，但對(duì)于燈具的熱管理還缺乏研究。

目前市場(chǎng)上燈具常見的散熱方式主要為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱。主動(dòng)散熱方式主要采用風(fēng)冷、液冷、半導(dǎo)體制冷等[10-12]外部能量來驅(qū)動(dòng)流體經(jīng)過熱源區(qū)域?qū)崿F(xiàn)熱量的交換；被動(dòng)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(shù)，不需要額外的能量。由于在室內(nèi)環(huán)境時(shí)，需要考慮準(zhǔn)分子光源的臭氧問題，因此光源需要采取封閉設(shè)計(jì)。徐宇杰等[16]研究了封閉空間系統(tǒng)的散熱問題，通過在腔體表面刻微槽、腔體內(nèi)部充氦氣、設(shè)置強(qiáng)制對(duì)流后得出，封閉腔體內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流是散熱效果提升的關(guān)鍵。張馳宇等[17]通過仿真封閉腔體內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)，并調(diào)整風(fēng)口的布局和內(nèi)部擋板的位置實(shí)現(xiàn)了空氣在腔體內(nèi)的良好散熱，提高散熱效率。劉文冬[18]根據(jù)電子設(shè)備機(jī)箱的特征，設(shè)計(jì)了帶有中空蓋板的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)，并在不同環(huán)境溫度和風(fēng)扇功率下進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。王國(guó)清[19]發(fā)明了一種封閉機(jī)箱內(nèi)循環(huán)散熱結(jié)構(gòu)，利用制冷組件、風(fēng)機(jī)、換熱管、排氣管等組件實(shí)現(xiàn)了機(jī)箱整體環(huán)境的高效降溫。

本文設(shè)計(jì)制作了一種封閉式循環(huán)散熱燈具并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真建模

1.1 封閉式自然散熱燈具結(jié)構(gòu)

圖1為本文建立的封閉式自然散熱準(zhǔn)分子光源系統(tǒng)的三維模型，該光源系統(tǒng)為基于介質(zhì)阻擋放電原理的同軸燈管結(jié)構(gòu)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)包括燈具外殼、同軸結(jié)構(gòu)準(zhǔn)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(zhǔn)分子燈管發(fā)出的紫外光反射出去，以提高系統(tǒng)出光效率。濾光片為低通濾光片，用于濾除235 nm以上對(duì)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(tǒng)三維模型Fig.1 3D model of enclosed natural cooling luminaire

1.2 封閉式循環(huán)散熱燈具設(shè)計(jì)

本文為提高封閉式燈具的散熱效果，設(shè)計(jì)了一種封閉式循環(huán)散熱燈具結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。燈具結(jié)構(gòu)包括燈管、漏斗、風(fēng)扇及循環(huán)管道結(jié)構(gòu)，其中漏斗的結(jié)構(gòu)尺寸為前期通過散熱仿真得到的優(yōu)化尺寸[20]。循環(huán)管道共有3個(gè)相同的管道，與單獨(dú)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(gè)管道的直徑均為16 mm，長(zhǎng)度為305 mm，管壁厚度為1 mm。在實(shí)際制作時(shí)，可將管道的尺寸適當(dāng)延長(zhǎng)，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(fā)揮內(nèi)部循環(huán)流體的流動(dòng)作用，因此該燈具結(jié)構(gòu)較封閉式燈具的尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大，整體結(jié)構(gòu)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(jìn)風(fēng)方式，該燈具內(nèi)部流體的流向采用如圖2(b)所示的逆時(shí)針流向，使得燈具內(nèi)部的流體與燈管周圍的熱源區(qū)域充分對(duì)流交換。此外封閉式燈具原有的內(nèi)置電路板占據(jù)大量的空間，因此本文將其改進(jìn)成外置電路，以提高燈具的散熱效率。封閉式循環(huán)散熱燈具使用的燈管和驅(qū)動(dòng)電源均與封閉式自然散熱燈具一致。

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

本文設(shè)計(jì)的封閉式循環(huán)散熱燈具結(jié)構(gòu)能夠有效降低準(zhǔn)分子光源的工作溫度，同時(shí)能夠阻隔其產(chǎn)生的臭氧，避免了對(duì)人體的傷害。

1.3 仿真計(jì)算

準(zhǔn)分子光源系統(tǒng)的散熱仿真采用COMSOL軟件來實(shí)現(xiàn)。COMSOL軟件設(shè)置的域參數(shù)及導(dǎo)熱特性見表1?？紤]到燈具安裝的低通濾光片不能透過遠(yuǎn)紅外，因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中無法用紅外熱像儀透過濾光片直接測(cè)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(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導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)的氣體進(jìn)行計(jì)算。

表1 材料的導(dǎo)熱特性

仿真模型的邊界條件包括初始環(huán)境溫度25 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為10 (W·m-2·K-1)，燈管的熱功率設(shè)為54 W。針對(duì)不同類型燈具中空氣的流動(dòng)狀態(tài)需要設(shè)置不同的散熱邊界條件。對(duì)于封閉式自然散熱燈具，內(nèi)部流體僅因溫度變化而導(dǎo)致密度變化，從而產(chǎn)生一定的流動(dòng)，因此設(shè)置重力約束作用。對(duì)于封閉式循環(huán)散熱燈具，內(nèi)部流體在風(fēng)扇的作用下產(chǎn)生流動(dòng)，因此需要設(shè)置風(fēng)扇流入、流出的風(fēng)速等邊界條件。

2 實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)置

2.1 測(cè)試樣品

圖3為封閉式自然散熱燈具的實(shí)物圖，兩側(cè)擋板為光滑的全封閉擋板結(jié)構(gòu)，并通過螺絲固定到燈具外殼上，實(shí)現(xiàn)燈具內(nèi)部與外部環(huán)境的隔絕效果，避免了臭氧的泄露和對(duì)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(shè)計(jì)制作的封閉式循環(huán)散熱燈具的實(shí)物圖。封閉式循環(huán)散熱燈具與自然散熱燈具結(jié)構(gòu)相比，前者的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用機(jī)床壓制加工單個(gè)零件時(shí)成本較高，因此各個(gè)零部件采用分別獨(dú)立加工的方式，并通過鋁棒、L型部件連接各個(gè)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(gè)零部件界面的縫隙。

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

為研究準(zhǔn)分子光源的管壁溫度對(duì)輻照度的影響，本文采用風(fēng)扇調(diào)節(jié)電路來調(diào)整燈具的散熱性能，從而得到不同溫度下的輻照度。實(shí)驗(yàn)過程利用脈寬調(diào)制(PWM)電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇風(fēng)速的調(diào)整，該P(yáng)WM電路由開關(guān)電源供電，獨(dú)立于燈管的驅(qū)動(dòng)電源。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

(1)電參數(shù)測(cè)量。測(cè)量驅(qū)動(dòng)電源的輸入輸出功率能夠?yàn)榉抡婧秃罄m(xù)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)燈管的功率，通過功率計(jì)(Yokogawa WT310)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)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(cè)量。在點(diǎn)燈10 min穩(wěn)定工作后，再進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果為輸入功率72.2 W，輸出功率56.1 W。

(2)光熱參數(shù)測(cè)量。采用紅外熱像儀測(cè)量準(zhǔn)分子燈管的內(nèi)外管壁溫度，同時(shí)利用紫外功率計(jì) (Hamamatsu，主機(jī)C8026，探頭H8025-222)測(cè)量光源系統(tǒng)出光口法線上同一點(diǎn)的輻照度值，可以進(jìn)行輻照度大小的比較。

圖5為輻射測(cè)試平臺(tái)，包括光參數(shù)測(cè)試、風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置，以及光源系統(tǒng)的紫外輻照度測(cè)量。測(cè)試時(shí)，首先通過風(fēng)速調(diào)節(jié)電路設(shè)定不同的PWM值，并測(cè)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(cè)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(duì)輻照度大小。

圖5 輻射測(cè)試平臺(tái)Fig.5 Radiation test platform

溫度測(cè)量時(shí)，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(cè)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(zhǎng)的關(guān)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(shù)測(cè)量過程中，需要將燈具點(diǎn)亮15 min，熱穩(wěn)定后再進(jìn)行溫度測(cè)量。溫度拍攝時(shí)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(duì)焦測(cè)溫。

目前準(zhǔn)分子光源輻射效率是利用Keitz公式進(jìn)行測(cè)量，但該公式適用于將準(zhǔn)分子燈管近似為線光源。將燈管放置在燈具中時(shí)，由于反射器的存在，燈具的輻射效率不再適用Keitz公式。但對(duì)于同一安裝結(jié)構(gòu)的燈具及給定距離和位置時(shí)，其法線上的輻照度與輻射效率成正比，因此可以測(cè)量不同管壁溫度下燈具的輻照度，得到輻照度的相對(duì)值，也即輻射效率。輻照度的測(cè)量采用222 nm紫外功率計(jì)，探頭放置高度設(shè)為38 mm。測(cè)試時(shí)，每次測(cè)量時(shí)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(jié)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(huán)散熱燈具的內(nèi)外管壁溫度的仿真結(jié)果，分析了封閉式循環(huán)散熱燈具中的循環(huán)管道分布、風(fēng)扇風(fēng)速、內(nèi)部流體性質(zhì)等因素對(duì)燈具散熱效果的影響，并進(jìn)一步分析不同輸入功率及環(huán)境溫度下的燈具散熱效果。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同溫度下光源的輻照度，從而可以計(jì)算得到封閉式循環(huán)散熱燈具較自然散熱燈具的相對(duì)輻照度大小。

3.1 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6為封閉式自然散熱燈具的仿真與實(shí)驗(yàn)圖對(duì)比，表2為不同燈具中仿真和實(shí)驗(yàn)的管壁溫度結(jié)果匯總對(duì)比。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的封閉式自然散熱燈具外管壁最高溫度為256 ℃，內(nèi)管壁最高為285 ℃，仿真和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)、外管壁溫差均在10 ℃左右。實(shí)驗(yàn)測(cè)得封閉式循環(huán)散熱燈具的外管壁最高溫度為158 ℃，內(nèi)管壁為163 ℃，溫差均在10 ℃以內(nèi)。這驗(yàn)證了本文構(gòu)建的封閉式燈具散熱模型的準(zhǔn)確性。

表2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

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

3.2 不同參數(shù)對(duì)燈具散熱的影響

本文通過仿真分析了循環(huán)管道分布、風(fēng)扇風(fēng)速、燈具內(nèi)部流體性質(zhì)等參數(shù)對(duì)散熱效果的影響。

(1)循環(huán)管道的分布對(duì)燈具散熱的影響。循環(huán)管道是燈具內(nèi)流體循環(huán)流動(dòng)的必經(jīng)路徑，也是將熱量傳遞至燈具各區(qū)域的重要途徑。研究不同尺寸的管道直徑對(duì)燈具散熱的影響，對(duì)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(nèi)、外管壁的溫度。

圖7為不同管道直徑對(duì)管壁溫度的影響。可以看出，隨著管道直徑的增大，內(nèi)、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(nèi)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。考慮到管道直徑的進(jìn)一步增加會(huì)使得燈具尺寸進(jìn)一步增大，因此接下來考慮設(shè)置雙排的循環(huán)管道結(jié)構(gòu)，在未擴(kuò)大燈具結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高散熱效果。

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

設(shè)置雙排式的燈具散熱結(jié)構(gòu)如圖8所示，雙排式的燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面可以進(jìn)一步擴(kuò)大內(nèi)部流體循環(huán)空間，另一方面也可以增加循環(huán)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(nèi)、外管壁的溫度?？梢钥吹?，隨著管道直徑的增加，燈管的內(nèi)、外管道直徑進(jìn)一步降低，外管壁溫度從192 ℃下降至151 ℃，降低41 ℃；內(nèi)管壁溫度從197 ℃下降至154 ℃，降低43 ℃，同時(shí)與單排的循環(huán)管道相比，相同管道直徑下的雙排循環(huán)管道的內(nèi)、外管壁溫度更低，溫度差距從6 ℃～25 ℃，這表明雙排的循環(huán)管道具有更好的散熱性能。當(dāng)雙排管道直徑在8～14 mm時(shí)的內(nèi)、外管壁溫度下降梯度更大，但當(dāng)管道直徑大于14 mm時(shí)，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(shù)會(huì)使得燈具的尺寸不斷增加，不適用于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中。因此本文制作的燈具結(jié)構(gòu)采用雙排循環(huán)管道設(shè)計(jì)，管道直徑為16 mm。

圖8 雙排循環(huán)管道的封閉式循環(huán)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(duì)管壁溫度的影響Fig.9 The effects of pipe diameter on wall temperature in double-pipe type

(2)風(fēng)速對(duì)燈具散熱的影響。風(fēng)速是燈具內(nèi)部流體實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)，并將熱量快速傳遞的關(guān)鍵。在雙排管道直徑為16 mm的基礎(chǔ)上選取風(fēng)扇的風(fēng)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(jìn)行仿真。圖10為風(fēng)扇風(fēng)速在1.4 m/s下，燈具內(nèi)氣體的流速切面分布?？梢钥吹?，風(fēng)速的增加可以有效提高通過燈管區(qū)域的氣體流動(dòng)速度，較高的風(fēng)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(fēng)速下的燈管的內(nèi)、外管壁的溫度?？梢钥闯觯?dāng)風(fēng)速在1.0～1.6 m/s時(shí)，風(fēng)速的提高能夠顯著降低燈管的管壁溫度，內(nèi)、外管壁的溫度下降均在15 ℃左右。當(dāng)風(fēng)速大于1.6 m/s時(shí)，內(nèi)、外管壁溫度的下降梯度降低。這說明提高風(fēng)速是能夠有效提高燈具散熱性能的方式。但由于燈具內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加風(fēng)速的同時(shí)可能會(huì)加劇循環(huán)氣流與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的擾動(dòng)碰撞，從而使得形成的渦旋流增大了流阻的梯度，進(jìn)而降低了對(duì)流換熱的效果。同時(shí)考慮到風(fēng)速的增加對(duì)風(fēng)扇的材料特性等要求更高，因此本文設(shè)計(jì)的封閉式循環(huán)散熱燈具結(jié)構(gòu)的風(fēng)速為1.8 m/s。

圖11 不同風(fēng)速對(duì)管壁溫度的影響Fig.11 The effects of different velocity on wall temperature

(3)流體性質(zhì)對(duì)燈具散熱的影響。燈具內(nèi)部流體的導(dǎo)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(nèi)部的不同氣體成分對(duì)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(dǎo)熱性能參數(shù)。

表3 氣體的導(dǎo)熱性能參數(shù)

分別采用上述的6種氣體得到的仿真結(jié)果如圖12所示?？梢钥吹剑瑹艄艿膬?nèi)、外管壁溫度隨著氣體導(dǎo)熱系數(shù)的增加而降低。當(dāng)燈具中的氣體為氦氣時(shí)，外管壁溫度較空氣條件下降了24 ℃，內(nèi)管壁溫度下降了21 ℃。當(dāng)燈具中的氣體為氫氣時(shí)，外管壁溫度較空氣條件下降了29 ℃，內(nèi)管壁溫度下降了27 ℃。而當(dāng)氣體為氬氣時(shí)，由于氬氣的導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)、外管壁溫度較高。當(dāng)氣體為氮?dú)鈺r(shí)，其密度和導(dǎo)熱系數(shù)與空氣基本一致，燈管的內(nèi)、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(shí)際的工程使用中可采用氦氣來提高散熱性能，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)管壁溫度的影響Fig.12 The effects of gas composition on walltemperature

3.3 外部參數(shù)對(duì)燈具散熱的影響

(1)輸入功率對(duì)燈具散熱的影響。電源輸入功率的大小對(duì)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(duì)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(yàn)本文設(shè)計(jì)的封閉式循環(huán)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(jì)算封閉式自然散熱燈具和封閉式循環(huán)散熱燈具內(nèi)的燈管管壁溫度差異，進(jìn)一步探究?jī)煞N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(huán)散熱燈管管壁溫度分布對(duì)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(nèi)管壁溫度上升了182 ℃；封閉式循環(huán)散熱燈具的外管壁上升了183 ℃左右，并且封閉式循環(huán)散熱燈具內(nèi)的燈管在不同輸入功率下內(nèi)外管壁溫度差非常小。當(dāng)輸入功率到達(dá)125 W以上時(shí)，其燈管的內(nèi)外管壁溫度均超過了200 ℃，因此對(duì)于大功率準(zhǔn)分子燈具的散熱還需要有針對(duì)性地做出改進(jìn)，可進(jìn)一步結(jié)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(huán)境溫度對(duì)燈具散熱的影響。研究環(huán)境溫度對(duì)燈具散熱的影響有助于了解準(zhǔn)分子燈具在不同環(huán)境溫度下的散熱效果，從而根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景使用不同的燈具。此外，不同溫度下的仿真結(jié)果同樣可以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的燈具結(jié)構(gòu)具有較好的適應(yīng)性。

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

3.4 燈管溫度對(duì)輻照度的影響

圖15為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不同溫度下準(zhǔn)分子光源的紫外輻照度。本文設(shè)計(jì)制作的封閉式循環(huán)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(nèi)管壁下降至163 ℃。圖中a、b兩點(diǎn)的溫度及輻照度值可分別認(rèn)為是封閉式循環(huán)散熱和封閉式自然散熱的工作狀態(tài)。因此可以看到，封閉式循環(huán)散熱燈具(a點(diǎn))較封閉式自然散熱(b點(diǎn))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(shè)計(jì)的封閉式循環(huán)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(nèi)的殺菌消毒使用要求。

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

4 結(jié)論

本文針對(duì)準(zhǔn)分子光源在室內(nèi)等通風(fēng)條件較差的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種封閉式循環(huán)散熱燈具，并分析循環(huán)管道排布、風(fēng)扇風(fēng)速、流體性質(zhì)等參數(shù)對(duì)燈具散熱效果的影響，最終確定燈具在雙排循環(huán)管道下最優(yōu)的散熱結(jié)構(gòu)，并與封閉式自然燈具進(jìn)行比較。結(jié)果表明，雙排循環(huán)散熱燈具內(nèi)準(zhǔn)分子燈管的外管壁溫度從256℃下降至158 ℃，內(nèi)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(jìn)一步分析了不同輸入功率和環(huán)境溫度下燈具的散熱性能，指出可以通過結(jié)合摻雜氦氣等方式來滿足更高功率和環(huán)境溫度的散熱應(yīng)用場(chǎng)景。