222 nm准分子光源系统的封闭式循环散热

刘 杰，王佳琦，韩秋漪，张善端

(复旦大学 电光源研究所，上海 200438)

引言

准分子光源具有辐射光谱宽度窄、能量集中、功率密度高、使用寿命较长、无汞污染等优势[1]，在半导体和面板光清洗、光化学合成等领域有比较广泛的应用。近年来，有研究表明[2-5]，KrCl准分子灯发出的222 nm紫外辐射既能够在有效灭活新冠病毒、阻隔病毒传播的同时，又不会对人的眼睛和皮肤造成伤害，适合人机共存的杀菌消毒场景，因此成为新的关注焦点。

但准分子灯在使用时，高压电极可能对空气放电，容易产生臭氧。在通风条件较差的室内环境下，臭氧会对人体产生伤害。对于应用在室内等通风条件较差环境下的准分子光源，需要采取封闭阻隔的灯具设计，以避免臭氧的溢出。而封闭式的灯具设计又不可避免地带来光源系统散热效果的降低。因此，设计一种能够阻隔臭氧，同时具有高效散热效果的灯具结构，具有一定的工程价值和意义。目前准分子光源的研究主要围绕光源的石英管壁厚度、驱动波形、气体成分和气压等因素[6-9]对准分子灯辐射效率的影响，但对于灯具的热管理还缺乏研究。

目前市场上灯具常见的散热方式主要为主动散热和被动散热。主动散热方式主要采用风冷、液冷、半导体制冷等[10-12]外部能量来驱动流体经过热源区域实现热量的交换；被动散热方式主要通过如添加翅片、基板、热管等[13-15]方式来增加换热面积、改变换热系数，不需要额外的能量。由于在室内环境时，需要考虑准分子光源的臭氧问题，因此光源需要采取封闭设计。徐宇杰等[16]研究了封闭空间系统的散热问题，通过在腔体表面刻微槽、腔体内部充氦气、设置强制对流后得出，封闭腔体内的强制对流是散热效果提升的关键。张驰宇等[17]通过仿真封闭腔体内的通风系统，并调整风口的布局和内部挡板的位置实现了空气在腔体内的良好散热，提高散热效率。刘文冬[18]根据电子设备机箱的特征，设计了带有中空盖板的风冷散热结构，并在不同环境温度和风扇功率下进行优化仿真设计。王国清[19]发明了一种封闭机箱内循环散热结构，利用制冷组件、风机、换热管、排气管等组件实现了机箱整体环境的高效降温。

本文设计制作了一种封闭式循环散热灯具并进行了优化设计。与封闭式自然散热灯具相比，灯管的外管壁温度从256 ℃下降至158 ℃、内管壁温度从285 ℃下降至163 ℃，有效降低了管壁温度，提高光源的辐照度在17%以上。

1 灯具结构设计及仿真建模

1.1 封闭式自然散热灯具结构

图1为本文建立的封闭式自然散热准分子光源系统的三维模型，该光源系统为基于介质阻挡放电原理的同轴灯管结构。灯具整体尺寸为320 mm×120 mm×135 mm，出光口尺寸为196 mm×91 mm，灯具内部结构包括灯具外壳、同轴结构准分子灯管、反射器、滤光片、电路板、灯管固定板、封闭式挡板等。其中反射器将准分子灯管发出的紫外光反射出去，以提高系统出光效率。滤光片为低通滤光片，用于滤除235 nm以上对皮肤和眼睛有害的紫外波段。

图1 封闭式自然散热光源系统三维模型Fig.1 3D model of enclosed natural cooling luminaire

1.2 封闭式循环散热灯具设计

本文为提高封闭式灯具的散热效果，设计了一种封闭式循环散热灯具结构，如图2(a)所示。灯具结构包括灯管、漏斗、风扇及循环管道结构，其中漏斗的结构尺寸为前期通过散热仿真得到的优化尺寸[20]。循环管道共有3个相同的管道，与单独的大管道相比能够增加散热面积，便于和外部空气充分接触，从而提高散热效果。每个管道的直径均为16 mm，长度为305 mm，管壁厚度为1 mm。在实际制作时，可将管道的尺寸适当延长，便于和灯具紧密连接，以获得更好的气密性。为提高灯具的散热效果，需要充分发挥内部循环流体的流动作用，因此该灯具结构较封闭式灯具的尺寸进一步扩大，整体结构尺寸为428 mm×120 mm×184 mm，出光口尺寸与封闭式自然散热灯具一致。考虑到漏斗的进风方式，该灯具内部流体的流向采用如图2(b)所示的逆时针流向，使得灯具内部的流体与灯管周围的热源区域充分对流交换。此外封闭式灯具原有的内置电路板占据大量的空间，因此本文将其改进成外置电路，以提高灯具的散热效率。封闭式循环散热灯具使用的灯管和驱动电源均与封闭式自然散热灯具一致。

图2 封闭式循环散热灯具Fig.2 Enclosed-loop heat dissipation luminaire

本文设计的封闭式循环散热灯具结构能够有效降低准分子光源的工作温度，同时能够阻隔其产生的臭氧，避免了对人体的伤害。

1.3 仿真计算

准分子光源系统的散热仿真采用COMSOL软件来实现。COMSOL软件设置的域参数及导热特性见表1。考虑到灯具安装的低通滤光片不能透过远红外，因此在后续的实验过程中无法用红外热像仪透过滤光片直接测量灯管的管壁温度。ZnSe晶体在红外波段具有较高的透过率，因此采用尺寸基本相同的ZnSe晶体代替低通滤光片进行仿真。此外灯管放电过程中主要是Kr和Cl2进行反应，由于Cl2的气体含量远低于Kr的含量，且Kr和Cl2导热系数比较接近，因此仿真模型采用纯Kr气代替两者的混合气体作为热源内的气体进行计算。

表1 材料的导热特性

仿真模型的边界条件包括初始环境温度25 ℃，对流换热系数为10 (W·m-2·K-1)，灯管的热功率设为54 W。针对不同类型灯具中空气的流动状态需要设置不同的散热边界条件。对于封闭式自然散热灯具，内部流体仅因温度变化而导致密度变化，从而产生一定的流动，因此设置重力约束作用。对于封闭式循环散热灯具，内部流体在风扇的作用下产生流动，因此需要设置风扇流入、流出的风速等边界条件。

2 实验方法和设置

2.1 测试样品

图3为封闭式自然散热灯具的实物图，两侧挡板为光滑的全封闭挡板结构，并通过螺丝固定到灯具外壳上，实现灯具内部与外部环境的隔绝效果，避免了臭氧的泄露和对人体的伤害。

图3 封闭式自然散热灯具Fig.3 The luminaire of enclosed natural cooling type

图4为本文设计制作的封闭式循环散热灯具的实物图。封闭式循环散热灯具与自然散热灯具结构相比，前者的结构较为复杂，采用机床压制加工单个零件时成本较高，因此各个零部件采用分别独立加工的方式，并通过铝棒、L型部件连接各个零部件。考虑到密封问题，该灯具在装配完成后，采用中性硅树脂密封胶黏住各个零部件界面的缝隙。

图4 封闭式循环散热灯具Fig.4 The luminaire of closed-loop heat dissipation type

为研究准分子光源的管壁温度对辐照度的影响，本文采用风扇调节电路来调整灯具的散热性能，从而得到不同温度下的辐照度。实验过程利用脉宽调制(PWM)电路实现风扇风速的调整，该PWM电路由开关电源供电，独立于灯管的驱动电源。

2.2 实验测量

(1)电参数测量。测量驱动电源的输入输出功率能够为仿真和后续的实验提供数据参考。输入功率不包括风扇的功耗，仅为驱动灯管的功率，通过功率计(Yokogawa WT310)进行测量，测量时采用稳压源(Chroma 61601)提供220 V、50 Hz的输入电压。输出功率通过示波器(Tektronix MDO 3034)、电压探头(Tektronix P6015A)电流探头(Pearson P4100)测量。在点灯10 min稳定工作后，再进行测量。测量结果为输入功率72.2 W，输出功率56.1 W。

(2)光热参数测量。采用红外热像仪测量准分子灯管的内外管壁温度，同时利用紫外功率计 (Hamamatsu，主机C8026，探头H8025-222)测量光源系统出光口法线上同一点的辐照度值，可以进行辐照度大小的比较。

图5为辐射测试平台，包括光参数测试、风速调节装置，以及光源系统的紫外辐照度测量。测试时，首先通过风速调节电路设定不同的PWM值，并测量该值下灯具稳定工作的管壁温度。随后将ZnSe晶体更换为低通滤光片，设定同样的PWM值，并测量该值下的灯具出光口法线上的辐照度值，从而得到在不同温度下灯具的相对辐照度大小。

图5 辐射测试平台Fig.5 Radiation test platform

温度测量时，将原有的低通滤光片替换为ZnSe晶体，其中ZnSe晶体的尺寸为198 mm×95 mm×3 mm，低通滤光片的尺寸为198 mm×95 mm×2 mm，两者尺寸基本一致。利用红外热像仪(Fluke TiS75+)透过ZnSe晶体测量灯具的内外管壁温度，根据ZnSe晶体的红外透过率随波长的关系，可得到在红外热像仪工作波段8～14 μm的透过率为73%。在热参数测量过程中，需要将灯具点亮15 min，热稳定后再进行温度测量。温度拍摄时应使得热像仪与灯具表面的距离在20～120 cm之间，便于热像仪的对焦测温。

目前准分子光源辐射效率是利用Keitz公式进行测量，但该公式适用于将准分子灯管近似为线光源。将灯管放置在灯具中时，由于反射器的存在，灯具的辐射效率不再适用Keitz公式。但对于同一安装结构的灯具及给定距离和位置时，其法线上的辐照度与辐射效率成正比，因此可以测量不同管壁温度下灯具的辐照度，得到辐照度的相对值，也即辐射效率。辐照度的测量采用222 nm紫外功率计，探头放置高度设为38 mm。测试时，每次测量时间为3 min，采样间隔1 s，取平均值后得到灯具的辐照度值。

3 结果与讨论

本文通过散热仿真模型，得到了封闭式自然散热灯具和循环散热灯具的内外管壁温度的仿真结果，分析了封闭式循环散热灯具中的循环管道分布、风扇风速、内部流体性质等因素对灯具散热效果的影响，并进一步分析不同输入功率及环境温度下的灯具散热效果。通过实验测量了不同温度下光源的辐照度，从而可以计算得到封闭式循环散热灯具较自然散热灯具的相对辐照度大小。

3.1 仿真与实验结果对比

图6为封闭式自然散热灯具的仿真与实验图对比，表2为不同灯具中仿真和实验的管壁温度结果汇总对比。实验测得的封闭式自然散热灯具外管壁最高温度为256 ℃，内管壁最高为285 ℃，仿真和实验的内、外管壁温差均在10 ℃左右。实验测得封闭式循环散热灯具的外管壁最高温度为158 ℃，内管壁为163 ℃，温差均在10 ℃以内。这验证了本文构建的封闭式灯具散热模型的准确性。

表2 仿真和实验结果对比

图6 封闭式自然散热灯具外管壁温度对比Fig.6 Comparison of outer tube wall temperature of the luminaire of enclosed natural cooling type

3.2 不同参数对灯具散热的影响

本文通过仿真分析了循环管道分布、风扇风速、灯具内部流体性质等参数对散热效果的影响。

(1)循环管道的分布对灯具散热的影响。循环管道是灯具内流体循环流动的必经路径，也是将热量传递至灯具各区域的重要途径。研究不同尺寸的管道直径对灯具散热的影响，对于提升灯具整体的散热效果具有重要意义。本文选取管道直径分别为8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm，仿真得到灯管内、外管壁的温度。

图7为不同管道直径对管壁温度的影响。可以看出，随着管道直径的增大，内、外管壁的温度均不断下降，外管壁最高温度从217 ℃下降至155 ℃，降低62 ℃；内管壁最高温度从221 ℃下降至160 ℃，降低61 ℃。这表明，管道直径的增加能够有效地提高散热效果，降低管壁温度。考虑到管道直径的进一步增加会使得灯具尺寸进一步增大，因此接下来考虑设置双排的循环管道结构，在未扩大灯具结构的同时，提高散热效果。

图7 不同管道直径对管壁温度的影响Fig.7 The effects of pipe diameter onwall temperature

设置双排式的灯具散热结构如图8所示，双排式的灯具结构设计一方面可以进一步扩大内部流体循环空间，另一方面也可以增加循环管道在空气中的接触面积，提高散热性能。图9为选取双排管道直径分别为8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm下仿真得到的灯管内、外管壁的温度。可以看到，随着管道直径的增加，灯管的内、外管道直径进一步降低，外管壁温度从192 ℃下降至151 ℃，降低41 ℃；内管壁温度从197 ℃下降至154 ℃，降低43 ℃，同时与单排的循环管道相比，相同管道直径下的双排循环管道的内、外管壁温度更低，温度差距从6 ℃～25 ℃，这表明双排的循环管道具有更好的散热性能。当双排管道直径在8～14 mm时的内、外管壁温度下降梯度更大，但当管道直径大于14 mm时，温度下降的梯度开始降低，散热性能降低。此外考虑到更大管径或者更多排数会使得灯具的尺寸不断增加，不适用于实际的应用场景中。因此本文制作的灯具结构采用双排循环管道设计，管道直径为16 mm。

图8 双排循环管道的封闭式循环散热灯具Fig.8 Enclosed circulating luminaire with double row circulating ducts

图9 不同双排管道直径对管壁温度的影响Fig.9 The effects of pipe diameter on wall temperature in double-pipe type

(2)风速对灯具散热的影响。风速是灯具内部流体实现循环流动，并将热量快速传递的关键。在双排管道直径为16 mm的基础上选取风扇的风速分别为1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s、2 m/s分别进行仿真。图10为风扇风速在1.4 m/s下，灯具内气体的流速切面分布。可以看到，风速的增加可以有效提高通过灯管区域的气体流动速度，较高的风速则能够迅速地带走管壁的热量，提高换热效果。

图11为不同风速下的灯管的内、外管壁的温度。可以看出，当风速在1.0～1.6 m/s时，风速的提高能够显著降低灯管的管壁温度，内、外管壁的温度下降均在15 ℃左右。当风速大于1.6 m/s时，内、外管壁温度的下降梯度降低。这说明提高风速是能够有效提高灯具散热性能的方式。但由于灯具内部结构较为复杂，增加风速的同时可能会加剧循环气流与内部结构之间的扰动碰撞，从而使得形成的涡旋流增大了流阻的梯度，进而降低了对流换热的效果。同时考虑到风速的增加对风扇的材料特性等要求更高，因此本文设计的封闭式循环散热灯具结构的风速为1.8 m/s。

图11 不同风速对管壁温度的影响Fig.11 The effects of different velocity on wall temperature

(3)流体性质对灯具散热的影响。灯具内部流体的导热性能好坏决定着是否能够迅速地将灯管的管壁热量传递到灯具外壳。为提高灯具的散热效果，分析研究灯具内部的不同气体成分对灯具散热的影响，也是封闭类型的功率器件高效散热的一种方式。表3为本文仿真使用的几种气体在25 ℃、101.325 kPa下的导热性能参数。

表3 气体的导热性能参数

分别采用上述的6种气体得到的仿真结果如图12所示。可以看到，灯管的内、外管壁温度随着气体导热系数的增加而降低。当灯具中的气体为氦气时，外管壁温度较空气条件下降了24 ℃，内管壁温度下降了21 ℃。当灯具中的气体为氢气时，外管壁温度较空气条件下降了29 ℃，内管壁温度下降了27 ℃。而当气体为氩气时，由于氩气的导热系数低、气体密度大，不易将灯管中的热量快速带走，因此灯管的内、外管壁温度较高。当气体为氮气时，其密度和导热系数与空气基本一致，灯管的内、外管壁温度也基本无明显变化。因此使用氦气和氢气是提升封闭腔体散热效果的有效手段。但考虑到氢气在使用存在安全隐患，在实际的工程使用中可采用氦气来提高散热性能，同时可以根据实际的应用场景，在空气中掺杂一定浓度的氦气，可以用来降低温度和控制温度。

图12 不同气体成分对管壁温度的影响Fig.12 The effects of gas composition on walltemperature

3.3 外部参数对灯具散热的影响

(1)输入功率对灯具散热的影响。电源输入功率的大小对灯具的散热有着重要影响。一般情况下，电源的输入功率越高，电源的输出功率则越高，在灯具辐射效率不变的情况下，灯具光源的热功率则越高，从而带来更高的管壁温度。因此，研究不同大小的电源输入功率对灯具散热的影响，一方面可以比较不同灯具在不同功率下的散热情况，另一方面还检验本文设计的封闭式循环散热在高功率下的散热效果。

选取电源输入功率分别为75 W、100 W、125 W、150 W、175 W、200 W、225 W，仿真计算封闭式自然散热灯具和封闭式循环散热灯具内的灯管管壁温度差异，进一步探究两种灯具在不同功率下的散热效果。

图13为不同电源输入功率下的封闭式自然散热灯具和循环散热灯管管壁温度分布对比。可以看出，两种灯具的管壁温度都随着输入功率的增加而增加，封闭式自然散热灯具的外管壁温度上升了192 ℃，内管壁温度上升了182 ℃；封闭式循环散热灯具的外管壁上升了183 ℃左右，并且封闭式循环散热灯具内的灯管在不同输入功率下内外管壁温度差非常小。当输入功率到达125 W以上时，其灯管的内外管壁温度均超过了200 ℃，因此对于大功率准分子灯具的散热还需要有针对性地做出改进，可进一步结合掺杂氦气等方式提高散热效果。

图13 不同输入功率的管壁温度Fig.13 Wall temperature at different input power

(2)环境温度对灯具散热的影响。研究环境温度对灯具散热的影响有助于了解准分子灯具在不同环境温度下的散热效果，从而根据实际应用场景使用不同的灯具。此外，不同温度下的仿真结果同样可以验证本文设计的灯具结构具有较好的适应性。

选取环境温度分别为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，分别仿真计算封闭式自然散热灯具和循环散热灯具的灯管管壁温度差异，结果如图14所示。封闭式自然散热灯具的灯管外管壁上升了6 ℃、内管壁上升了4 ℃，其外管壁温度随着灯具环境温度的增加，基本没有较大变化，这是因为封闭式灯具的环境温度主要接触到灯具外壳，外部环境的温度变化相对于光源的温度而言基本忽略不计，因此对光源的散热影响不大。而封闭式循环散热灯具的内、外管壁温度均上升了20 ℃，这与循环管道与外部空气充分换热有关。外部空气的温度不断上升，使得循环管道的管壁温度不断上升，进而使得通过管道的流体传递热量的效率降低，导致了整体散热效果的下降。此外外部环境温度的上升也导致了灯具外壳温度的上升，进一步降低了整体的散热效率。

3.4 灯管温度对辐照度的影响

图15为实验测量的不同温度下准分子光源的紫外辐照度。本文设计制作的封闭式循环散热灯具较封闭式自然散热灯具的灯管的外管壁温度下降至158 ℃，内管壁下降至163 ℃。图中a、b两点的温度及辐照度值可分别认为是封闭式循环散热和封闭式自然散热的工作状态。因此可以看到，封闭式循环散热灯具(a点)较封闭式自然散热(b点)外管壁温度降低了98 ℃，辐照度提高了17%以上。由此可以证明，本文设计的封闭式循环散热能够有效降低管壁的温度，提高封闭式灯具的辐照度，也即辐射效率，满足室内的杀菌消毒使用要求。

图15 管壁温度对灯具辐照度的影响Fig.15 The effect of tube temperature on ultraviolet irradiance

4 结论

本文针对准分子光源在室内等通风条件较差的应用场景，设计了一种封闭式循环散热灯具，并分析循环管道排布、风扇风速、流体性质等参数对灯具散热效果的影响，最终确定灯具在双排循环管道下最优的散热结构，并与封闭式自然灯具进行比较。结果表明，双排循环散热灯具内准分子灯管的外管壁温度从256℃下降至158 ℃，内管壁温度从285 ℃下降至163 ℃，有效降低了管壁温度，光源的辐照度提高了17%以上。此外，还进一步分析了不同输入功率和环境温度下灯具的散热性能，指出可以通过结合掺杂氦气等方式来满足更高功率和环境温度的散热应用场景。