1 汞光谱灯散热结构设计和热分析

1.1 散热铝合金灯罩设计

汞光谱灯具体结构如图1所示，其由灯泡、线圈、汞灯冷端、铝合金散热灯罩组成。汞灯泡发出的热量通过热传导从铝合金灯罩内壁传到外壁，为了减小接触热阻，灯体和铝合金散热罩之间用延展性好、热阻小的薄层铟填满，从而可以将汞灯泡体产生的热量迅速导出。汞灯尾部设置成冷端，冷端埋于漏斗状的铝合金灯罩中，形成足够的饱和蒸气压后，冷端能使多余的汞金属凝结在冷端泡壁上，有利于灯的稳定[3]。铝合金灯罩外壁的热量通过空气对流传热到周围空气。最终目标使汞光谱灯温度控制在65℃附近。

1.2 热传导理论分析

热传递是从温度高的物体传向温度低的物体，或者是从物体的高温部分传向低温部分的过程。热传递途径主要有三种，即热传导、热辐射、热对流[4]。汞灯散热的主要方式为热传导和热对流。固体中金属是最好的导热体，汞谱灯发出的热量经由铟薄层全部散到铝合金散热灯罩中。

铝合金导热系数[λ=240W/（m·K）]，铝合金灯罩为圆柱体，内径[r1]=5 mm，外径[r2]=5.5 mm，长度[l]=0.013 m，圆筒壁热传导传热面积[Α=2πrl]，其内外表面温度分别维持均匀恒定的温度[t1]和[t1]，如果采用圆柱坐标系，该问题就成为沿半径方向的一维导热问题。

铝合金导热系数[λ1]=200 W/（m·K），铟导热系数[λ2]=90 W/（m·K），相应的边界条件为：[r1]=5 mm，[r2]=5.5 mm，[r3]=20 mm，[t1]=65 ℃，[t2]=30 ℃。根据灯罩尺寸和试验参数，求出[Φ]=380 W，汞光谱灯供电电源电压为22.7 V，电流为0.37 A，直流功耗为8.4 W，由于灯泡前半段绕射频线圈，所以金属罩有效散热部分集中在灯泡后半段，假设功耗为2 W。传热理论计算的结果显示，该灯罩的散热能力远远超过2 W的功耗，即灯罩体积过大，根据热传导理论，金属散热罩的厚度并非越大越好，后续应确定合理的壁厚，使其热阻更小，散热能力增强。汞光谱灯不加散热灯罩，在没有散热措施时，汞光谱灯温度测量结果如表1所示。

从表1可以看出，灯泡工作后，由于射频线圈的加热作用，如果没有任何散热通道，则灯体的温度随着时间持续增长，处于过热状态。而配备铝合金灯罩后，灯泡在同样的工作条件下（22.7 V，0.37 A）下，工作持续20 min后，整个系统处于热平衡状态，测量灯泡温度为[7]0 ℃左右，试验表明，加散热灯罩能够明显提高汞光谱灯的散热性能，使汞光谱灯温度降到工作点温度附近。

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