一种带有漏斗结构的封闭式循环散热准分子灯具

技术领域

本发明属于气体放电光源系统的散热技术领域，具体涉及一种带有漏斗结构的封闭式循环散热准分子灯具。

背景技术

KrCl准分子灯发出的222nm紫外辐射既能够在有效灭活新冠病毒

同轴准分子灯的工作原理为卤素和稀有气体在内、外电极的高压下形成气体放电反应，形成紫外辐射。卤素和稀有气体为Kr和Cl

现有的技术方案缺乏对准分子灯具散热的定量研究，无法满足准分子灯在室内的应用需求。如李立胜等

综上所述，目前还未有既具备高效散热效果以降低准分子灯管壁温度，又能够确保准分子灯内外管壁温度基本一致的封闭式准分子灯具。因此需要一种散热性能良好的封闭式准分子灯具，实现人机共存的杀菌应用场景。

[1]MA B,GUNDY P M,GERBA C P,et al.UV Inactivation of SARS-CoV-2acrossthe UVC spectrum:KrCl

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发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种带有漏斗结构的封闭式循环散热准分子灯具。本发明针对准分子灯具存在灯管管壁温度高且内、外管壁温度不一致等问题，在封闭灯具内形成强制对流，基于并联管路的流量分配模型设计了一种漏斗结构来调整准分子灯内外管壁两侧的流量，从而调整内外管壁的温度分布，确保准分子灯管壁温度下降的同时内外管壁温度差小于5℃；漏斗的小口径靠近准分子灯管的内管设置，且漏斗的小口径直径和内管直径相等，灯具内的空气通过风扇经漏斗进入到灯管区域，对灯管管壁进行散热；采用并联管路流量分配模型计算优化漏斗的大口径尺寸，以实现内、外管壁温度基本一致。同时本发明基于内部强制对流设计多管道结构的循环管道，用于显著降低灯管的管壁温度，提高辐射效率；采用封闭式灯具，以避免准分子光源产生的微量臭氧对人体的危害。

本发明中，漏斗的小口径(出风口)靠近准分子灯管的内管设置，出风口直径和内管直径相等，灯具内的空气通过风扇经漏斗进入到灯管区域以对灯管管壁进行散热，其中，进入漏斗内的流体全部通过准分子灯内管，而未进入漏斗的流体穿过准分子灯外管与灯具的间隙通路；进而本发明可以通过调整漏斗的大口径(进风口)的直径大小调节进入到准分子灯管的内、外管壁区域的流量，最终实现准分子灯管的内外管壁温度基本一致；本发明的技术方案具体如下。

一种带有漏斗结构的封闭式循环散热准分子灯具，其包括灯具外壳以及设置在灯具外壳内的准分子灯管、漏斗、风扇和循环管道；

准分子灯管为同轴结构，其通过中间镂空的灯管固定板悬空水平放置在灯具外壳内的中上部，主体是由内、外两根不同直径的石英管在两端封接而成的套管，灯头封接在套管的头部，内、外管之间的封闭空间里填充卤素和稀有气体的混合气，外管外壁上装有外电极，内管内壁上装有内电极；漏斗为镂空的圆台型结构，其小口径一侧即出风口，靠近准分子灯管套管中内管的尾部设置，漏斗的小口径直径与内管直径相等；风扇设置在漏斗的大口径一侧，大口径一侧即进风口，循环管道靠近灯具外壳底部设置；

灯具工作时，风扇产生的流体通过漏斗大口径进入到灯管区域带走灯管的管壁热量，并经过灯具内部区域、循环管道实现循环，在灯具内部形成强制对流；流体在灯管区域形成内外管道两个通路，分别是准分子灯管内管气体通路和准分子灯管外管与灯具之间的间隙气体通路，内外管道两个通路的流量分配通过调节漏斗的大口径的直径实现。

本发明中，漏斗结构能够调整进入到准分子灯管的内外管壁区域的流体流量，实现内、外管壁温度的基本一致；其设计原理为并联管路的流量分配模型，具体的原理公式如下：1)根据并联管路中的分支管路(对于本发明的灯具，分别是准分子灯管内管气体通路和准分子灯管外管与灯具之间的间隙气体通路)压力相同，得到阻力损失为：

当量长度l

l

式中：l

漏斗尺寸会影响内、外管通路的管道直径及当量长度，从而改变两个支路的流量分配；2)湍流管道中摩擦系数仅与相对粗糙度有关，得到摩擦系数为：

其中ε为管道的绝对粗糙度，d为管径；

3)计算每条分支管路的流量Q为：

4)当分支管路重新汇聚到同一管路时，可认为两个分支管路的阻力损失相同，所以Δf

对于准分子灯具，Q

可见，两个分支管路之间的流量分配比例取决于其结构参数。调整漏斗尺寸即相当于调整两个分支管路的结构，因此两个分支管路的流量随之变化。

本发明中，采用流体仿真软件模拟灯具内不同漏斗进风口直径下的内外管道两个通路的流量分配及对应的准分子灯内、外管壁温度分布，直到实现内、外管壁温度基本一致，温度差小于5℃，由此确定最优漏斗大口径直径大小和对应的流量分配。软件在单次的仿真计算中，漏斗口径相当于一个初始参数。在这个漏斗口径条件下，软件设置基于并联管路流量分配模型来计算出两个支路的流量以及该条件下内外管壁温度，然后更改漏斗口径，再进行计算。得到一系列口径条件下的内外管壁温度后，通过比较温度差，可以得到最优的漏斗口径。

本发明中，流体仿真软件为COMSOL或Fluent。

本发明中，灯具外壳采用铝板制成。灯具外壳采用全封闭的设计，避免了灯具在使用时产生的臭氧对人体的伤害作用。

本发明中，循环管道和风扇相互配合用于实现灯具内部的强制对流，可以提高散热效果。所述循环管道采用多管道排布的方式，便于管道外壁和空气充分接触，增加换热面。

本发明中，还包括透光窗片和反射镜，透光窗片设置在准分子灯管上方的灯具出光口，反射镜设置在准分子灯管的后方，用于将灯管后向发出的光反射出去；透光窗片采用镀膜石英板制成，反射器采用薄镜面铝板制成。

和现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在实现封闭式灯具内有效散热的同时，基于并联管路流量分配模型而设计的漏斗结构能够使得灯管内、外管壁的温度基本保持一致，避免了准分子的淬灭，提高了辐射效率。

2、基于循环管道和风扇的设计，可以实现封闭式准分子灯具的内部强制对流散热，提高了散热效果，降低了管壁温度，延长了使用寿命。

3、本发明灯具外壳采用全封闭的设计，能够隔绝臭氧，避免对人体的伤害，

4、本发明中通过并联管路分配模型，采用流体仿真软件计算不同漏斗结构下的支路流量和对应的管壁温度分布，通过对仿真结果的比较最终得到最优的漏斗结构参数。

附图说明

图1为同轴结构的准分子灯管。

图2为本发明的灯具整体结构图。

图3为本发明的灯具内部流体循环示意图。

图中标号说明：1为灯具外壳，2为透光窗片，3为准分子灯管，4为反射器，5为灯管固定板，6为漏斗，7为风扇，8为循环管道，31为内电极，32为外电极，33为石英套管，34为灯头，35为聚四氟乙烯。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，准分子灯管是一个同轴结构的灯管，包括内电极31、外电极32、石英套管33、灯头34、聚四氟乙烯35。内电极31为不锈钢箔，外电极为不锈钢网。石英套管33由内外两根不同直径的石英管在两端封接而成，内管内壁上装有内电极31外管外壁上装有外电极32，石英套管33内部填充稀有气体和卤素气体的混和气。灯头34用于封接石英套管33，聚四氟乙烯35实现高压电极绝缘；准分子灯工作时，外电极32、外管、混合气、内管、内电极31、灯头34与外接电源之间形成放电回路而产生紫外辐射。

根据热力学理论，为实现准分子灯管的内、外管壁温度一致，可以对进入到内、外管壁区域的流量进行调整；因此本发明基于并联管路的流量分配模型，通过漏斗结构的设计改变进入到内、外管壁区域的流量，实现管壁温度一致，提高辐射效率。

如图2所示，灯具整体结构包括灯具外壳1、透光窗片2、准分子灯管3、反射器4、灯管固定板5、漏斗6、风扇7、循环管道8。灯具外壳1采用铝板压制制作或分别加工后通过螺丝连接制作。透光窗片2采用镀膜石英板制成，可通过螺丝和凹槽固定在灯具外壳1表面。准分子灯管3通过灯管固定板5悬空放置在灯具内部。反射器4采用薄镜面铝板制成，用于将灯管后向发出的光反射出去，可固定在灯具外壳1的内部凹槽中。灯管固定板5的中间区域应设置与准分子灯管3的外径基本一致的孔，并将中间镂空，使得流体能够顺利进入到灯管区域。漏斗6为镂空的圆台型结构，其较小一侧即出风口直径可设置与准分子灯管3的内径一致，循环管道8采用多管道设计，用于连接灯具外壳1的两侧部分。一般情况下，管道越多，管道直径越大，灯具的散热效果越好，但此时也会增大灯具的结构尺寸，因此需要综合考虑灯具结构尺寸和散热效果的平衡。

上述灯具中，总管路可以认为是灯具内风扇7和漏斗6大口径(进风口)之间的气体通路，总管路的流量就是由风扇7形成的气体流量。总流量经过漏斗6后，一部分气体通过漏斗6进入准分子灯内管，形成内管流量；另一部分气体未经过漏斗6，则从准分子灯外管和灯具之间的空隙中流过，形成外管流量，因此漏斗6的口径决定了内外管流量的大小，可以通过漏斗6口径的设计来调整内外管流量从而缩小内外管壁的温度差。进一步优选的，漏斗6大口径即进风口的直径可根据软件仿真确定尺寸。可采用常用的流体仿真软件，如COMSOL、Fluent等，进行散热仿真。

本发明实施例采用了Comsol软件，其先建立灯具的3D结构模型，然后划分网格、设置材料参数、设置各表面边界条件、选择合适的理论模型等，当模型确认后，通过调整漏斗6参数，并进行多次仿真计算，得到流量、温度等参数结果。最终通过散热仿真计算结果来不断调整漏斗6进风口直径大小，直到实现内、外管壁温度基本一致，温度差小于5℃，并由此确定最优漏斗6的进风口直径大小。本实施例中，准分子灯的外管直径为40mm，内管直径为16mm，内外管壁的流量分配比例约为3:2。

如图3所示，风扇7产生的流体(空气流)通过逆时针循环首先进入到灯管区域，带走灯管的管壁热量，而后经过灯具侧面内部区域和循环管道8结构实现循环，从而在灯具内部形成了强制对流，提高了散热效果。

需要进一步说明的是，本发明中的示意图如循环管道8数量及漏斗尺寸仅为本实施例表示所用，在实际使用过程，可以根据散热需求如不同电源功率和环境温度进行任意的增加或者减少循环管道8的数量和改变管道的直径大小，同时可以任意的调整漏斗6尺寸的大小，实现散热效果的提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围内。