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汞光譜燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱分析
發(fā)布時(shí)間：2023-04-18 瀏覽量：1459
1 汞光譜燈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱分析
1.1 散熱鋁合金燈罩設(shè)計(jì)
汞光譜燈具體結(jié)構(gòu)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(fā)出的熱量通過熱傳導(dǎo)從鋁合金燈罩內(nèi)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(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)出。汞燈尾部設(shè)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(jié)在冷端泡壁上，有利于燈的穩(wěn)定[3]。鋁合金燈罩外壁的熱量通過空氣對(duì)流傳熱到周圍空氣。最終目標(biāo)使汞光譜燈溫度控制在65℃附近。
1.2 熱傳導(dǎo)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(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流[4]。汞燈散熱的主要方式為熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。固體中金屬是最好的導(dǎo)熱體，汞譜燈發(fā)出的熱量經(jīng)由銦薄層全部散到鋁合金散熱燈罩中。
鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)[λ=240W/（m·K）]，鋁合金燈罩為圓柱體，內(nèi)徑[r1]=5 mm，外徑[r2]=5.5 mm，長(zhǎng)度[l]=0.013 m，圓筒壁熱傳導(dǎo)傳熱面積[Α=2πrl]，其內(nèi)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(biāo)系，該問題就成為沿半徑方向的一維導(dǎo)熱問題。
鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)[λ1]=200 W/（m·K），銦導(dǎo)熱系數(shù)[λ2]=90 W/（m·K），相應(yīng)的邊界條件為：[r1]=5 mm，[r2]=5.5 mm，[r3]=20 mm，[t1]=65 ℃，[t2]=30 ℃。根據(jù)燈罩尺寸和試驗(yàn)參數(shù)，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(shè)功耗為2 W。傳熱理論計(jì)算的結(jié)果顯示，該燈罩的散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2 W的功耗，即燈罩體積過大，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，金屬散熱罩的厚度并非越大越好，后續(xù)應(yīng)確定合理的壁厚，使其熱阻更小，散熱能力增強(qiáng)。汞光譜燈不加散熱燈罩，在沒有散熱措施時(shí)，汞光譜燈溫度測(cè)量結(jié)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(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)，處于過熱狀態(tài)。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(xù)20 min后，整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，測(cè)量燈泡溫度為[7]0 ℃左右，試驗(yàn)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(diǎn)溫度附近。
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