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汞光譜燈散熱結構設計和熱分析
發布時間：2023-04-18 瀏覽量：2384
1 汞光譜燈散熱結構設計和熱分析
1.1 散熱鋁合金燈罩設計
汞光譜燈具體結構如圖1所示，其由燈泡、線圈、汞燈冷端、鋁合金散熱燈罩組成。汞燈泡發出的熱量通過熱傳導從鋁合金燈罩內壁傳到外壁，為了減小接觸熱阻，燈體和鋁合金散熱罩之間用延展性好、熱阻小的薄層銦填滿，從而可以將汞燈泡體產生的熱量迅速導出。汞燈尾部設置成冷端，冷端埋于漏斗狀的鋁合金燈罩中，形成足夠的飽和蒸氣壓后，冷端能使多余的汞金屬凝結在冷端泡壁上，有利于燈的穩定[3]。鋁合金燈罩外壁的熱量通過空氣對流傳熱到周圍空氣。最終目標使汞光譜燈溫度控制在65℃附近。
1.2 熱傳導理論分析
熱傳遞是從溫度高的物體傳向溫度低的物體，或者是從物體的高溫部分傳向低溫部分的過程。熱傳遞途徑主要有三種，即熱傳導、熱輻射、熱對流[4]。汞燈散熱的主要方式為熱傳導和熱對流。固體中金屬是最好的導熱體，汞譜燈發出的熱量經由銦薄層全部散到鋁合金散熱燈罩中。
鋁合金導熱系數[λ=240W/（m·K）]，鋁合金燈罩為圓柱體，內徑[r1]=5 mm，外徑[r2]=5.5 mm，長度[l]=0.013 m，圓筒壁熱傳導傳熱面積[Α=2πrl]，其內外表面溫度分別維持均勻恒定的溫度[t1]和[t1]，如果采用圓柱坐標系，該問題就成為沿半徑方向的一維導熱問題。
鋁合金導熱系數[λ1]=200 W/（m·K），銦導熱系數[λ2]=90 W/（m·K），相應的邊界條件為：[r1]=5 mm，[r2]=5.5 mm，[r3]=20 mm，[t1]=65 ℃，[t2]=30 ℃。根據燈罩尺寸和試驗參數，求出[Φ]=380 W，汞光譜燈供電電源電壓為22.7 V，電流為0.37 A，直流功耗為8.4 W，由于燈泡前半段繞射頻線圈，所以金屬罩有效散熱部分集中在燈泡后半段，假設功耗為2 W。傳熱理論計算的結果顯示，該燈罩的散熱能力遠遠超過2 W的功耗，即燈罩體積過大，根據熱傳導理論，金屬散熱罩的厚度并非越大越好，后續應確定合理的壁厚，使其熱阻更小，散熱能力增強。汞光譜燈不加散熱燈罩，在沒有散熱措施時，汞光譜燈溫度測量結果如表1所示。
從表1可以看出，燈泡工作后，由于射頻線圈的加熱作用，如果沒有任何散熱通道，則燈體的溫度隨著時間持續增長，處于過熱狀態。而配備鋁合金燈罩后，燈泡在同樣的工作條件下（22.7 V，0.37 A）下，工作持續20 min后，整個系統處于熱平衡狀態，測量燈泡溫度為[7]0 ℃左右，試驗表明，加散熱燈罩能夠明顯提高汞光譜燈的散熱性能，使汞光譜燈溫度降到工作點溫度附近。
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