CN101248511B - 紫外线灯及辐射源模块和包含其的处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外线灯。该灯包括：(i)实质上密封且包括含汞材料的空腔；和(ii)相对于空腔设置在外部的加热单元。该加热单元设置成与包括含汞材料的空腔的第一部分接触。该加热单元具有可调节的热输出。
Description
技术领域
在本发明的一个方面，本发明涉及一种紫外线灯。在其另一个方面，本发明涉及一种包括紫外线灯的辐射源模块。在其另一个方面，本发明涉及一种包括紫外线灯的流体处理系统。
背景技术
一般来说，流体处理系统在本技术领域内是已知的。
例如，美国专利4,482,809，4,872,980，5,006,244，5,418,370，5,539,210及Re：36,896(均以Maarschalkerweerd的名义且被转让予本发明的被转让人)都描述了使用紫外线(UV)的重力馈送流体处理系统。
通常，这样的在先技术的流体处理系统使用紫外线灯以发射特定波长或波长范围(通常在185和400nm之间)的辐射以实现被处理流体的杀菌或其它处理。许多常规的紫外线灯是已知的″低压″汞灯。
近年来，随着所谓的低压高输出(LPHO)或汞齐(amalgam)UV射线灯的发展，低压汞灯技术也得到发展。这些灯在UV射线水处理系统，尤其是用于市政饮水及废水处理的系统中得到广泛应用。如本文所用，术语″低压″UV射线灯意在包括通常的UV射线灯，特别是常规的UV射线灯以及LPHO UV射线灯。
使用中，通常必须在此类灯中维持一个″冷部″以作为灯的汞池，由此维持用于有效发射紫外线的足够的汞蒸气压力。汞池可以是液态汞或汞齐以及诸如铟的其它材料。如果″冷部″温度不在狭窄的范围内，则低压汞灯中的汞蒸气压力可能不适合UV射线的有效产生。具体地，过高或过低的″冷部″温度都将导致UV射线发射效率的损失。这样会特别是由于流体温度可能改变而且灯的功率水平及最终温度也可能变化而导致被处理流体的不充分处理。
当此类灯用于诸如上文引用的Maarschalkerweerd专利中描述并说明的具体系统之一的流体处理系统中时，必须的″冷部″通过与被处理水的热交换而实现。
本技术领域中已知使用被动装置维持必须的″冷部″。例如，美国专利6,217,834[Hosein等人]讲解了一种作为在灯中产生使紫外线有效发射的″冷部″的被动装置的热吸收元件在紫外线灯外的设置。在使用中，本紫外线灯中的热吸收元件用作灯外表面上的″散热器″。如此，在使用期间，热吸收元件从灯的该元件与其接触的区域将热量移除。结果在灯的与该区域相对应的内表面(即，汞蒸气容纳处)上产生″冷部″。汞蒸气在″冷部″上冷凝，由此可实现从灯有效发射紫外线。
在技术上也已知通过向低温环境或结构的热传导使用对汞池(汞齐)的被动控制以及用例如双金属元件使该热连接随温度而变化-参见例如美国专利3,309,565。
在技术上也已知使用外部调节加热器控制过冷汞池的温度，即由Hosein等人研究的相反状态。该途径需要使用：(i)从加热器至电源走向的电连接，及(ii)从加热器至电源调节装置走向的传感器信号。
紫外线灯是不断在更高功率水平下工作以提供不断提高的紫外线输出的热装置，结果需要控制不断提高的热条件以优化灯效率。例如，一些汞齐灯在″冷部″处于90℃至120℃的范围时能够产生优化的UV输出。
因此，在技术上正需要一种辐射灯，特别是其中融合对汞齐点或汞池的主动温度控制但不需要复杂的外部控制电路的紫外线灯。理想状况下，这样的辐射灯可以在优化的汞压力或接近该优化压力下并且由此在优化的效率下工作，而与被处理流体的温度，辐射源的功率设定和/或外部保护套筒的直径无关。
发明内容
本发明的目标是消除或缓解在先技术的至少一个上述缺点。
因此，在其一个方面中，本发明提供一种紫外线灯，该灯包括：(i)包括含汞材料的实质上密封的空腔；和(ii)相对于所述空腔设置在外部的加热单元，该加热单元设置成与所述空腔的包括含汞材料的第一部分接触，该加热单元具有可调节的热输出。
在其另一个方面中，本发明提供一种紫外线灯，该灯包括：(i)包括含汞材料的实质上密封的空腔；(ii)在其外部的热吸收元件，因此在灯工作期间，灯的与热吸收元件接触的部分具有与灯的其余部分不同的温度；和(iii)相对于所述空腔设置在外部的加热单元，该加热单元设置成与所述空腔的包括含汞材料的第一部分接触。
在其另一个方面中，本发明涉及包括所述紫外线灯的辐射源组件。
在其另一个方面中，本发明涉及包括所述紫外线灯的辐射源模块。
在其还有一个方面中，本发明涉及包括所述紫外线灯的流体处理系统。
附图说明
下文将结合附图介绍本发明的各个实施例，其中相同的参考数字标示相同的部分，其中：
图1所示为设置在保护辐射透射套筒中的所述紫外线灯的第一实施例的放大的剖视图；
图2所示为设置在保护辐射透射套筒中的所述紫外线灯的第二实施例的放大的剖视图；
图3所示为图2所示的紫外线灯的放大的透视图(部分切除)；
图4所示为设置在保护辐射透射套筒中的所述紫外线灯的第三实施例的放大的剖视图；以及
图5所示为图4所示的紫外线灯的放大的透视图(部分切除)。
具体实施方式
本发明具有数个优选实施例。该数个实施例涉及灯(或灯插座)及用于该灯的插头(或转接头)的可释放接合部分的使用，这一点对于本技术领域的熟练者是显而易见的。
这些优选实施例包括如下各个部分：
在(a)灯/灯插座，或(b)插头/转接头，或(c)″真空罩″(环形)元件上的自调节电气/电子控制。通过该途径可获得数个优点，包括：(a)小封装尺寸，(b)没有测量温度所需的外部线路，(c)没有所需的外部控制装置，(d)固态可靠性，及(e)相对廉价的构造成本。
插头/转接头与灯/灯插座之间的可重复使用的热连接。为了直接冷点温度控制之外的其他目的，该连接可以导电也可以不导电。这样既有节约成本的优点又有可靠性的优点。
将热控制的主动部分置于插头/转接头中。这样就超过具有远程温度调节或者每当更换灯时也需更换热控制装置的先有技术途径既有节约成本的优点又有可靠性的优点。
简单的插头/转接头的诊断法。使用显示镇流器电源存在的LED或其它指示器，和在灯泡的背后通过灯插座点亮以显示该灯的电源接通的发光管等，以及最好还使用显示预热电路和/或连续灯丝加热电路正在工作的LED。该实施例使用户可以简单地且就地确定其设备的工作状态。这一点在饮水应用中尤其重要且有利。该实施例的发光管部分也用于加强安全性；用户再不需要将灯拉出看其是否工作。在废水处理应用中可以使用简单的充电电路，使操作者能够确定所讨论的灯最近是否有电源。例如，如果模块上的镇流器失效，则操作者切断模块的电源，然后在时间段″x″内检查模块上的LED。任何没有发光的LED表示最近电源没有提供应至该灯单元。简单的RC电路可在本实施例中实施。
本发明的这些优选实施例具有数个变化，这些变化包括下列各个部分：
＊加热器和/或冷却器可以是该系统的半永久性部分，即灯依靠固定至所述保护套筒/扼流圈/等其他部件的热控制装置，并且通过该装置被调节。该加热器和/或冷却器可以是半永久性散热器元件，加热器，冷却器等的组合。这些元件可以置于所述保护套筒的一端或两端，或者置于沿保护套筒处于一个或多个中间位置。在该设计中，插头/插座及灯电源的电连接实际上可以不必成为热控制装置的构造上的一部分。该设置可被用于这样的灯，即汞齐部件可以在电弧长度之内(例如常规的点汞齐(spot amalgams))，或电弧长度外侧(也就是灯的收缩区域(pinch area)中的小点(pips)，填充管(full tubes)或空腔(cavities))。
＊该灯可具有汞齐部件设计及类型的组合。在给定的灯中一些汞齐可以是被动的而只有一种或两种汞齐可以具有主动的控制。例如，这样可以将被动汞齐用于快速启动，主动汞齐用于正常运行。正常运行的汞齐将具有主动的热控制。
＊可以使用热控制装置在灯的一个或多个位置实施该设置，即，两端，一端，沿灯管长度的一个或多个部分或其任何组合。
＊被动部件(加热器或冷却器)及主动部件(加热器或冷却器)可以以多种组合位于灯，插头，转接头或反应堆组件(reactor component)上。
＊无需额外的被动冷却器。
＊可以使用主动冷却器-例如Peltier或使用类似热管的某些装置调节散热器散热量的装置。
＊被动地过冷，然后使用连接至灯的热负载的主动加热器，即利用灯的热量提升汞齐温度的热管/双金属片组合。
＊在灯内使用实体罩以热保护汞齐不受灯的热负载的影响。该方法被用于替代汞齐的被动冷却。然后，汞齐可如上所述被加热到期望的温度。这一点同样可以通过将汞齐置于灯电弧和/或灯丝辉光放电的辐射路径即回旋气体路径之外实施。
＊如果所使用的主动加热或冷却装置具有扁平，圆锥，曲线或倾斜的形状则可以使用热连接。该热连接可以与灯电弧一致，或具有径向性质-即在所述收缩部分或灯管圆周的周围。
＊自调节加热器可以如上所述为基于热敏电阻的装置或可以是RTD(ResistiveThermal Device(热阻装置))。更多信息请见www.atpsensor.com。加热器也可以是上述装置的简化版本，使用电阻随温度升高而升高的单股或多股细导线，由此减少发热。
当然，对于本技术领域的熟练者其它的变化也是显而易见的。
参见图1，该图说明了包括紫外线灯105及保护辐射透射套筒110的辐射源组件100。
紫外线灯105包括实质上密封的空腔115。设置在空腔115近端处的是与电连接针125电连接的灯丝120。本技术领域的熟练者应意识到，虽然图中只显示一个连接针125，但紫外线灯105包括多个连接针(例如2个或4个)。为简明起见，其它连接针未示出。
同样设置在空腔115的近端处的是热吸收单元130。如果用于热吸收单元130的材料能够导热(例如可作为散热器工作)则对热吸收单元130的性质并无特殊限制。例如，热吸收单元130可由从包括铜，铝，陶瓷等的组合中选取的材料构成。
同样设置在空腔115的近端处的是与空腔115连通的通道135。通道135在其中设置含汞材料140。最好含汞材料140包括单质汞。包围通道135的一部分的是由导热材料制成的热连接器145。
进一步参考图1，图中说明了包括外壳155的插头(或转接头)150。外壳155包括电插座160及加热元件165。外壳155还在其中设置用于操作和/或控制加热元件165的电气部件(为简明而未显示)。
位于插头150的近端处的是具有三个可用于提供可视诊断等的发光二极管(LED)175，185的基座170。例如，LED 175可用于指示镇流器电源，LED 185可用于指示加热元件165工作正常。同样设置在基座170中的是用于指示所述灯105的电源接通的发光管180。
使用中，插头150与热吸收单元130相配对以使电连接针125插入到电插座160中且加热元件165与热连接器145接触。
参见图2及3，该图说明了包括紫外线灯205及保护辐射透射套筒210的辐射源组件200。
紫外线灯205包括实质上密封的空腔215。设置在空腔215的近端处的是与电连接针225电连接的灯丝220。
同样设置在空腔215的近端处的是热吸收单元230。如果用于热吸收单元230的材料能够导热(例如可作为散热器工作)则对热吸收单元230的性质并无特殊限制。例如，热吸收单元230可由从包括铜，铝，陶瓷等的组合中选取的材料构成。
同样设置在空腔215的近端处的是与空腔215连通的通道235。通道235在其中设置含汞材料240。优选地，含汞材料240包括汞。包围通道235的一部分的是加热元件265。连接至加热元件265的是一对电导线267。
使用中，电连接针225可插入到常规插座或插头(未显示)的电插孔中。而且，电导线267可连接至合适的电路以操作和/或控制加热元件265。
参见图4及5，该图说明了包括紫外线灯305及保护辐射透射套筒310的辐射源组件300。
紫外线灯305包括实质上密封的空腔315。设置在空腔315的近端处的是与电连接针325电连接的灯丝320。
同样设置在空腔315的近端处的是环形的热吸收单元330。如果用于热吸收单元330的材料能够导热(例如可作为散热器工作)则对热吸收单元330的性质并无特殊限制。例如，热吸收单元330可由从包括铜，铝，陶瓷等的组合中选取的材料构成。
同样设置在空腔315的近端处的是与空腔315连通的通道335。通道335在其中设置含汞材料340。最好含汞材料340包括单质汞(校注同上)。
加热元件365整体形成在环形的热吸收单元330中。由图可见，加热元件365定位在通道335和含汞材料340附近。连接至加热元件365的是一对电导线(未显示)。
使用中，电连接针325可插入到常规插座或插头(未显示)的电插孔中。而且电导线(未显示)可连接至合适的电路以操作和/或控制加热元件365。
图4及5所示的本发明的实施例使灯305插入到环形的汞齐热控制装置中。环形的热吸收单元330被部分插入到灯套筒或灯固定器中。导线(未显示)的走向从该装置至电源，或者导线可附接至灯电源电路。
辐射源组件300按以下方式工作。
环形的热吸收单元330与套筒310紧密热接触，因此，流体得到处理。因为该紧密接近，热量可以被动地从汞齐340中移除。环形的热吸收单元330的设计可以如图所示，也可以具有其它任何形状。灯305并非必定需要相对于套筒310同心。灯305相对于套筒310的任何偏心或同心的位置都是可以的。环形的热吸收单元330可以如图所示构成以提供被动冷却。
环形的热吸收单元130，230，330的体材料可以是陶瓷，但也可以是其它材料。对材料的基本要求是：足够的导热性，能够在汞齐和灯的工作温度下工作且无物理损坏，并且在例如紫外线灯可提供的高UV-C水平，臭氧，潮湿等条件下无废气产生或材料品质下降。
加热元件365最好是自调节加热器并在灯305被合适地插入到套筒310即当灯正常工作时被置于环形的热吸收单元330中靠近汞齐340的物理位置处。
一个或多个自调节加热器可用作加热元件165，265或365。
加热元件165，265或365最好是热敏电阻。如本技术领域中已知，热敏电阻是对热敏感的电阻器并且根据类型具有负(NTC)或正(PTC)的电阻/温度系数。PTC热敏电阻对于在本紫外线灯的加热元件中用作自调节加热元件尤其可取。
热敏电阻可由例如锰，钴，铜及镍的过渡金属的氧化物制成。
如本技术领域中已知，NTC热敏电阻是温度依赖型的半导体电阻器。在-200℃至+1000℃范围内工作时，NTC热敏电阻以玻璃珠，盘，小片及探针的形式被提供。当在较宽温度范围内要求电阻的连续变化时可以使用NTC。NTC提供机械的，热学及电学的稳定性且具有高灵敏度。
PTC热敏电阻是温度依赖型的电阻器，常规上由钛酸钡制成且可以在特定温度或电流水平下要求电阻发生显著变化时使用。PTC可按下列模式工作：
＊温度测量，在60℃至180℃的温度范围内转换。
＊固态熔合以保护不受过流水平的影响，从几毫安(mA)到几安培(A)(25℃的环境)的电流范围且持续电压达600V及更高。
＊液位测量。
还有，除了自调节加热器之外也可以使用非自调节加热器。在该情况下，非调节加热器承担大部分的汞齐加热，而自调节加热器只是″满载″至所要求的热负载。
环形的热吸收单元330可置于灯的任何一端或两端以控制位于电弧长外侧的汞齐部件(340)(优选实施例)。也可被置于灯上方，灯丝(320)之间以控制汞齐点温度。
虽然已结合说明性实施例及实例对本发明进行了描述，但上述描述无意于被认为具有限制的意义。从而，对本发明的说明性实施例以及其它实施例的各种修改对本技术领域内的熟练者是显而易见的。例如，虽然说明性实施例以单端灯(即只在灯的一端具有电连接)的形式显示，但是也可以将本紫外线灯以所谓的双端灯形式(即在灯的相对两端具有电连接)构造。这样的双端灯例如在美国专利4,482,809(Maarschalkerweerd)中被总体公开。而且，虽然说明性实施例以具有从密封空腔的所谓的″收缩″中发出的电连接的灯的形式显示，但是也可以省略该电连接并将灯构造成通过电感或电容耦合实现电连接。而且，说明性实施例中所示的热吸收元件的具体形式可被修改以适合特定紫外线灯的期望需求。因此，后附的权利要求被期望涵盖所有这样的修改或实施例。
本文提及的所有出版物，专利及专利申请通过全文引用而结合到本文中，且具有如同每一个单独的出版物，专利或专利申请被具体和单独地表示为通过其全文引用而结合的相同的范围。
Claims (35)
1.一种紫外线灯，其特征在于，该紫外线灯包括：(i)实质上密封的空腔，该空腔包括含汞材料，所述实质上密封的空腔包括至少一个电极；(ii)相对于所述空腔设置在外部的加热单元，该加热单元设置成与包括所述含汞材料的所述空腔的第一部分接触，所述加热单元具有可调节的热输出；和(iii)电连接单元，该电连接单元设置在所述空腔的一端并包括至少一个电连接器，该至少一个电连接器与所述至少一个电极电连接；
其中所述电连接单元包括第一连接单元和第二连接单元，其中所述第一连接单元设置在所述灯的一端，且所述第二连接单元可以相对于所述第一连接单元可释放地接合，
其中所述加热单元设置在所述第二连接单元中。
2.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元设置在围绕所述空腔的至少一个部分的环形元件中。
3.如权利要求2所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述环形元件进一步包括用于与所述空腔的第一部分接触的热吸收元件。
4.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第一连接单元和所述第二连接单元具有实质上互补的配合。
5.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第一连接单元包括用于在所述第一连接单元和所述第二连接单元接合时与所述空腔的第一部分接触的热吸收元件。
6.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第二连接单元包括用于在所述第一连接单元和所述第二连接单元接合时与所述空腔的第一部分接触的热吸收元件。
7.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第二连接单元包括用于在所述第一连接单元和所述第二连接单元接合时接纳所述至少一个电连接器的插座部。
8.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述空腔的第一部分包括所述含汞材料。
9.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元包括与所述空腔的第一部分直接接触的加热元件。
10.如权利要求1所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元包括加热元件及传热元件，所述传热元件介于所述加热元件和所述空腔的第一部分之间。
11.一种紫外线灯，其特征在于，该紫外线灯包括：(i)实质上密封的空腔，该空腔包括含汞材料；和(ii)热吸收元件，所述热吸收元件具有与至少所述灯的外部表面接触的表面，从而在所述灯的工作过程中，所述灯与所述热吸收元件接触的部分具有与该灯的其余部分不同的温度；和(iii)相对于所述空腔设置在外部的加热单元，该加热单元设置成与包括所述含汞材料的所述空腔的第一部分接触。
12.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元包括可调节的热输出。
13.如权利要求11-12中的任意一项所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述实质上密封的空腔包括至少一个电极。
14.如权利要求13所述的紫外线灯，其特征在于，进一步包括电连接单元，该电连接单元设置在所述空腔的一端并包括至少一个电连接器，该至少一个电连接器与所述至少一个电极电连接。
15.如权利要求14所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述电连接单元包括第一连接单元和第二连接单元，其中所述第一连接单元设置在所述灯的一端，且所述第二连接单元可以相对于所述第一连接单元可逆地接合。
16.如权利要求15所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元设置在所述第一连接单元中。
17.如权利要求15所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元设置在所述第二连接单元中。
18.如权利要求15-17中的任意一项所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第一连接单元和所述第二连接单元具有实质上互补的配合。
19.如权利要求15所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第一连接单元包括所述热吸收元件，用于在所述第一连接单元和所述第二连接单元接合时与所述空腔的第一部分接触。
20.如权利要求15所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第二连接单元包括所述热吸收元件，用于在所述第一连接单元和所述第二连接单元相接合时与所述空腔的第一部分接触。
21.如权利要求15所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述第二连接单元包括用于在所述第一连接单元和所述第二连接单元接合时接纳所述至少一个电连接器的插座部。
22.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述空腔的第一部分包括所述含汞材料。
23.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述热吸收元件是环形。
24.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元设置成邻近于所述含汞材料。
25.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述热吸收元件和所述加热单元不是一体的。
26.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元包括与所述空腔的第一部分直接接触的加热元件。
27.如权利要求11所述的紫外线灯，其特征在于，其中所述加热单元包括加热元件及传热元件，所述传热元件介于所述加热元件和所述空腔的第一部分之间。
28.一种包括如权利要求1-27中的任意一项所述的紫外线灯及用于该紫外线灯的辐射透射保护套筒的辐射源组件。
29.一种辐射源模块，该辐射源模块包括第一支撑元件及至少一个如权利要求28所述的辐射源组件，其中所述至少一个辐射源组件在其第一端连接至所述第一支撑元件。
30.如权利要求29所述的辐射源模块，其特征在于，该辐射源模块包括多个如权利要求28所述的辐射源组件，其中所述多个辐射源组件在其第一端连接至所述第一支撑元件。
31.如权利要求29-30中的任意一项所述的辐射源模块，其特征在于，进一步包括第二支撑元件，且所述至少一个辐射源组件的第二端连接至该第二支撑元件。
32.一种包括如权利要求28所述的辐射源组件的流体处理系统。
33.一种包括多个如权利要求28所述的辐射源组件的流体处理系统。
34.一种包括如权利要求29-31中的任意一项所述的辐射源模块的流体处理系统。
35.一种包括多个如权利要求35-37中的任意一项所述的辐射源模块的流体处理系统。
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