CN215266190U - 一种准分子紫外光源装置 - Google Patents

Abstract

本专利设计一种准分子紫外光源装置，包含准分子灯管、电极和电源装置，能够在电源的驱动下，通过外置电极电离至于电极简的准分子灯管内的工作气体，而产生特定波长的紫外线。本专利装置的特征在于，准分子灯管的形态可以多样，电极采用外置结构并与灯管紧密结合，电源驱动准分子灯，并具有反馈和调整机制，能根据准分子灯的状态适当调整，保障准分子灯管的紫外输出强度。本专利装置采用模块化设计，便于安装使用和维护。本专利装置可以组合形成光源模组，提高紫外输出光效。

Description

一种准分子紫外光源装置

技术领域

本专利涉及一种准分子光源装置，尤其是使用外置电极产生远紫外波长的准分子光源及其电源装置。

背景技术

准分子紫外光源，通过加载在电极之间的高频高压来电离激化其间的稀有气体，使其吸收能量后更加活跃，在原子回归稳定基态时，释放出相应的特定波长紫外线。光子能量高于绝大多数有机分子键能，对表面和空气中的污染物有机分子被强紫外光能切断、氧化，而后分解成易挥发性物质，最终挥发消失。通过这种方式实现半导体、液晶屏制造中的光清洗，被清洗后的表面清洁度高，处理效果好，清洁效率高。准分子灯根据其内部填充的不同气体电离后产生波长的差异而应用在不同的领域。例如，氩气(Ar₂)激发产生126纳米的真空紫外，氙气(Xe₂)激发产生172纳米波长的紫外线，由于工作时还会产生具有氧化杀菌作用的臭氧，所以也应用于水清洁中。准分子光源由填充的工作气体，包括稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙)与卤素(氟、氯、溴、碘)气体等混合激发后产生特定波长的紫外线。例如，溴化氪(KrBr)激化后产生207纳米的紫外线，氯化氪(KrCl)激化后产生222纳米的紫外线。207和222纳米紫外线均能有效杀灭空气及物体表面的细菌和病毒，却对人体无损伤，比通过汞激发产生的253.7纳米的紫外线更加安全，而逐渐被采用在消毒杀菌领域。由氙气和氯气混合后激发产生的308纳米的紫外光用于后天性皮肤病(例如罗杰白癜风和银屑病)的治疗。其他波长的准分子光源也应用于紫外油墨固化，废气废水的降解，以及荧光分析等领域。

目前通过准分子产生紫外线杀菌清洁的光源，均在灯管本体内安装双层电极结构。为了避免卤素气体对金属电极的腐蚀性，使用双层同轴石英套管结构。为了电离稀有气体与卤素气体等的混合工作气体，首先在高纯透紫外的石英管内封装一个管状金属体或螺旋状金属丝作为内电极，并将该内电极引线从一端或双端引出。在同轴的外石英套管中，充入稀有气体和/或卤素气体，并密封。然后在双层同轴石英套管外使用网状金属电极。这样电极与工作气体隔绝，在高频高压电场下，电离石英管内工作气体，释放特定波长的紫外线，也避免了电离状态下电极的损耗。为了安全和降低氧气被电离产生的臭氧量，有时也会在外电极外，再套一层能以较高效率透射目标波长紫外线，同时使用减少臭氧产生的无臭氧玻璃管。这种工艺制造比较复杂，工序较多，多层紫外线套管后，使光源体积增大，散热困难，光效降低，并且难以提高一定空间内准分子紫外光源的密度，从而难以提高单位面积的紫外辐照度，而且维护时需要更换整个灯管和电极，而并非仅需维护的部件。

发明内容

本专利提供一种准分子光源装置，包含准分子灯管、电极装置、和与其匹配的电源装置。本专利的准分子光源不含汞，更加环保，启动时间短，可瞬间激发产生特定紫外波长的光并达到全功能输出，无需预热，并且受环境温度影响小。本专利的准分子光源采用分体式模块化设计，结构简单，制作工艺简洁，生产效率和成品率较高，可集成度更高。电源与准分子灯管和电极相匹配，优化和保障准分子光源在工作中的输出能效。

本专利在技术上，准分子灯管内部不再安装电极，无需顾虑来自卤素气体的损伤，电极独立安置于灯管外部，与需要激化的气体通过灯管完全隔绝。电源通过外置电极产生电场，电离并激化电极之间准分子灯管内填充的工作气体，产生所需的紫外线。

本专利所涉及的准分子灯管为单层高透紫外的气体容器，由紫外线透射率不低于90％的高纯石英、合成石英玻璃或蓝宝石玻璃等制成，作为放电工作气体的容器，壁厚0.2～3mm(优选0.5～1.5mm),密闭腔体截面边缘上两点间的最大距离为5～25mm，按需选用长度。可以根据不同紫外波长、功率和灯管布置方案确定长度和构型。在特定电极和灯管型式配置下，通过调整电源参数和电极位置，可以充分并且稳定激发电离灯管内工作气体以产生高效的紫外辐射。可充分根据实际情况选用截面为圆形、方形、多边形或其他形状的长条形高纯石英玻璃管作为原材料，制成放电气体容器。由稀有气体、卤素气体和可选择的辅助气体组成的混合气体，其中卤素气体的分压比0～5％，在30KPa～3000KPa压强下，充入工作气体容器中后，密闭工作气体容器形成准分子灯管。可选择添加由惰性气体组成的辅助气体，例如氦气和氖气，来加强灯管稳定性。灯管为单层石英管，其内无电极，电极外置于灯管表面。

本专利的准分子灯的电极置于灯管外表面，与准分子灯管紧密贴合。电极与灯管气体容器内工作气体隔绝，避免了卤素气体对电极的腐蚀，减缓了电极老化，但仍可高效地电离灯管内工作气体并产生相应波长的紫外线。外置电极优选易成型、导电率高、抗紫外辐射、在高温和辐射下抗氧化性好、不易形变的材质，例如铜、铝、金、银、铂、镍、铬及其合金和包含石墨烯的结构性高分子导电材料等，优先选用铝或以铝为主要材料的合金(厚度0.1～1.5mm)、导电膏、或导电薄膜，厚度0.05～0.5mm。

进一步地，在一个准分子紫外光源中可使用多个电极，相邻两电极接本专利中准分子灯电源的不同两极，于其间形成电场，电离其间介质灯管内的工作气体，产生目标紫外线。相邻外置电极间的最小间距不低于所使用电源产生的高频电压的放电间隙以确保其使用安全性，在电极非放电部分使用绝缘涂层后，或使用其他绝缘处理后可适当减小。

进一步地，外置电极与灯管紧密贴合以减少电场损耗。通过对金属电极材料进行折弯或压铸成型，使电极截面的曲度与灯管的截面曲度相吻合，并可使用导电膏，涂至灯管外表面与电极位置，以增加电极与灯管之间的贴合度。使用印刷电路或镀膜的方法可直接将导电材料印制或喷镀在灯管表面，使印刷电极与灯管合为一体。为了增加透光度，外电极可采用镂空设计。为防止外电极在高压时直接暴露在外不安全，可用绝缘材料涂激于外电极不与灯管外壁结合的部分，形成电极外涂绝缘层，提高使用安全性。

进一步地，外置电极可通过例如丝网印刷方式均匀涂至灯管外表面选定位置，使电极与灯管紧密贴合为一体，经高温固化成型。也可使用印刷电路或镀膜的方法直接将导电材料印制或喷镀在灯管表面。这样就形成镂空的外置贴合电极。在这种外置覆膜电极工艺下，外置电极材料选用低阻低紫外吸收或材料，或通过添加石墨、金属微粉等方式实现低阻低紫外吸收，使制成电极的体积电阻率小于2×10^-2Ωcm，紫外吸收率不大于10％。以厚度0.05～0.5mm和直接出射面透光率大于40％来确定电极线条的长度和宽度。

进一步地，为了提高紫外线透过量，减少电极对紫外线透射的阻挡，电极可制成线状、网孔状、或其他图案的镂空形式。电极的线条间留出的镂空间隙，用于透射灯管产生的紫外线。在电极覆盖的面积内，未被电极遮挡而可以透过紫外线的镂空面积与电极覆盖区域的面积(包含镂空面积和电极线条的占用面积)的比值，为电极的透光率。一般透光率不低于40％，越高越好。在灯管仅需单向透射紫外线情况下，可直接使用反射紫外材料(例如紫外反光铝)做电极，增加反射率。

本专利的准分子灯的驱动电源为不同的交流经转换后形成的12～48V的低压直流输入，工作时电源将低压直流转为输出电压2K～10KV，频率为10K～200KHz的高频高压交流，在电极片之间形成高频高压电场，激发灯管密闭腔体内填充的工作气体，从而产生紫外辐射。电源中带电流和灯管温度监控的反馈调整功能。当温度升高并伴随电流下降时，灯管内工作气体的阻值变大，紫外输出减少。可调整电源的输出电压和频率，或通过风冷或水冷装置降低灯管的温度来维持准分子灯的辐照输出强度。

本专利的多个准分子灯管，与相应电极配合后，可以与一个或多个电源配合，在较小体积内形成密集的模组，产生更高的紫外辐照度，为更大空间在更短时间内提供高剂量的紫外照射服务。这种灯组模块可以提供更高的集成度，维护更加容易。

本专利的准分子光源装置，包含了准分子灯管、电极装置、和具有反馈调节功能的电源装置。准分子灯管中填充由稀有气体和卤素气体组成的工作气体，可选择添加辅助气体，不含汞，更加环保。本专利的准分子光源启动时间短，激发产生特定波长的紫外线，受环境温度影响小。本专利的各装置采用模块化设计，结构简单，制作工艺简洁，生产效率和成品率较高，可集成度更高。电源与准分子灯管和电极相匹配，优化和保障准分子光源在工作中的输出能效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本专利的准分子灯管

图2是不同形状灯管的截面图

图3是第一实施例示意图

图4是第一实施例灯管与电极的侧视图

图5是第二实施例中灯管示意图

图6是第二实施例示意图

图7是第二实施例中灯管与电极的示意图

图8是第三实施例示意图

图9是第三实施例中灯管与电极的侧视图

图10是第四实施例示意图

图11是第四实施例中灯管与电极的侧试图

图12是一种网状外置电极结构

图13是一种线状外置电极结构

图14是第五实施例的侧视结构示意图

图15是第五实施例灯管和电极的俯视图

图16是第六实施例多灯管模块的示意图

图17是第六实施例中灯管和电极的侧视图

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本专利实施例方案，通过下面的实施例和附图对本专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本专利的应用范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本专利的主旨和范围，没有做出创造性劳动前提下，对本专利装置进行的各种变化和修饰，例如灯管和电极形态的变化，都属于本专利的保护范围。

如下实施例展示了灯管和密闭腔体的不同形态，外置电极的不同形态，以及两者组合后的多种形态。各种组合形态下，都需要与电源配合。如下实施例中的电源，都采用先将交流电转换为12～24V的直流电后，再升压为2K～10KV，频率为10K～200KHz的高频高压交流，在各实施例的电极片之间形成高频高压电场，激发灯管密闭腔体内填充的工作气体，从而产生紫外辐射。电源的输出电压，根据电极间距、密闭腔体内的气体成分、压强、体积等参数来优化决定。在准分子灯工作过程中，随着灯管密闭腔体内气体状态的变化，电阻也产生一定的变化，电源于是能探测到电流的变化。当电源探测到温度上升和电流下降时，在告知其他控制器件启动风冷或水冷措施外，可以通过增大电压和频率的方法维持准分子光源的紫外输出光效。

实施例一

本实施例是一种准分子光源装置，其中准分子灯管本体11有高纯石英管材料制成，壁厚0.2～3mm,密闭腔体12直径5～25mm，长度按实际要求选用，经高温脱羟和洁净处理后，在100～300KPa压强下，本实施例中在准分子灯管内的密闭腔体12内充入稀有气体氪气和卤素气体氯气组成的混合工作气体，以产生 222纳米的紫外线，其中氯气的分压比为0.5％～2％，其余为氪气。灯管本体11和密闭腔体12内没有设置电极。

本专利所示灯管11内能构成密闭腔体12即可，无固定规则形状。截面可以为圆形、方形和两者结合体。如图2(a)所示，灯管截面为圆形11，内有密闭腔体12。灯管也可为立方体，截面21如图2(b) 所示，内有密闭腔体22。异形的灯管，例如截面如图2(c)所示的灯管23，两边为直线，另外两边为弧线，也可构成密闭腔体24。

本实施例中，灯管11固定于由厚度0.1～1mm，宽度不低于5mm的镜面铝做成的外置电极31和32上，两电极之间的间距d₁不低于电源输出电压(2K～10KV，频率为10K～200KHz)所需的放电间隙。工作时，准分子灯管11固定于外置电极31和32上(侧视见图4)，外置电极31和32分别接电源两端，在两电极之间形成高频高压电场，电离灯管内的工作气体，产生中心波长为222纳米的紫外线。

本实施例的灯管与电极结构简单，易于生产和组装成型，更换时仅需更换所需部件而不影响其他部件及功能。

实施例2

如图5、图6、图7所示，本实施例采用截面为方形(图2b)的石英管21替换实施例1中的灯管，灯管21内有密闭腔22，填充工作气体。外置电极61、62、63为铝合金(或不锈钢)片，其宽度不超过所在石英管的长度的1/3，相邻电极之间保持不低于电源电压决定的放电间隙。中间的电极61接电源一端，两边的电极62和63共同接电源另一端。在电极61与电极62和63之间形成两个电场，电离灯管密闭腔体22内的工作气体，释放紫外线。

本实施例的外置多电极与灯管外壁紧密接触就可以产生稳定工作的电场，电极与灯管仍然是分体设计，在密闭腔22内无内在电极。这种电极结构比实施例1的电极结构更加简单，灯管的辐照角度也更大。从电极61、62和63的引线，可以通过在一端添加耐高温、耐紫外辐射、绝缘的陶瓷灯头汇聚成两个接线端子，适配常用的各种单端插头的灯具结构。也可以将电极61和电极62、63的引线从两侧分别引出，适配常用的双端插头的灯具结构。方便安装、维护和更换。

实施例3

如图8、图9所示，将实施例2中的长方体灯管21的电极安置在两个相对平面上，电极81和82相对而置，工作时分别接高频高压交流电的两端，在两个平面之间产生交流电场，电离夹在其中长方体灯管21 内的工作气体，稳定输出的紫外线。这种设置下，电极81与82之间的间距，受制于电源的启动电压和灯管密闭腔体内工作气体的压强。电源也可以根据工作气体的压强和电极间距来调整，不低于击穿电压，才能成功电离密闭腔体内的工作气体，产生紫外线。

本实施例也可在灯管21的一端或两端添加陶瓷灯头，将两电极的引线通过陶瓷灯头引出，方便安装、维护和更换。

相对于实施例2，本实施例减少了一个电极，在生产和安装时都更加简单，有助于提高生产效率，降低维护费用。

实施例4

在实施例3的基础上，为了更加容易的电离灯管21的密闭腔体22内的工作气体，如图10和11所示，增加到3个电极81、82和83。电极83接电源33的一端，电极81和82共同接电源33的另一端。在电极83与相邻的电极81与82之间的最短间距不低于电源工作时的高压所决定的放电间隙d₁。这样就分别在电极83与81、电极83与82之间形成可电离密闭腔体52内工作气体的稳定电场，使灯管51持续稳定输出紫外线。本实施例也可将电极引线与灯管一端或两端的陶瓷灯头的接线端子连接，兼容现有灯具的接口，方便安装与维护。

在上述实施例中，都是用的是外置非透光的铝合金电极，阻挡了紫外线向外的辐射，如果在透光面使用外置非透光的电极时，会影响紫外线的透射。如图12所示，将电极片进行镂空处理后，就可以在电极间隙透射出紫外线，同时也不影响电离效果。这种镂空后的外置电极，其可透光的面积占整个电极面积的百分比，为电极的透光率。在确保能电离腔体内工作气体和达到既定的目标输出辐照度的前提下，这个电极透光率越高越好，不低于40％。为了生产方便，可使用如图13所示的更加简洁的线形电极，最大程度的增大电极透光率。为了保障这种镂空的外置电极能电离密闭腔体内的工作气体，需将镂空电极与灯管外壁紧密贴合。通过电路印刷或者镀膜的方式将以铝为主要成分的电极材料紧密贴在灯管外表面。这样就增加了透射面的紫外输出。

实施例5

如图14所示，本实施例的灯管两个面是平面，另外两个面是具有一定弧度向外凸起的曲面。通过镀膜的方式，在灯管11的两个相对的平面上成型图12所示网状电极141，如图15所示。将网状电极141和 142分别接电源33的两端，在网状电极141和142之间的电场来电离密闭腔体12内的工作气体，产生紫外线。电极141与142之间的间距d₁，要大于电源输出高压所决定的放电间隙。

进一步地，网状电极也可变化为图13所示线状电极，或其他有助于稳定电离密闭腔体内工作气体的形状。

在这种设置下，紫外线可以透过电极出射，增加了紫外准分子光源装置的发光效率。

实施例6

在上述实施例的基础上，本实施例提供一个准分子紫外光源模组，由多个紫外准分子灯组成，其结构如图16所示。由4个方形灯管51，在密闭腔体内含稀有气体和卤素气体组成的混合工作气体，如充入 100KPa～300KPa压强下的氪气和氯气，其中氯气的分压比低于5％，其余为氪气，产生中心波长为222纳米的紫外线。相邻外置电极161与162之间，162与163之间的距离d₁要大于电源工作电压决定的放电间隙，灯管之间的间距d₂不做要求，可紧密结合也可保持一定间距，结构如图17所示。对于截面为圆形11 或其他形状的灯管时，电极需尽可能增加与灯管紧密结合的面积。工作时，中间的电极162接电源的一端，两边的电极161和163共同接电源的另一端，在相邻电极间形成放电电场，电离工作气体，输出中心波长为222纳米的紫外线。

本实施例提供了一种使用单一电源，在电源的承载电流允许范围内，可以驱动多个灯管，形成一个模组，提高了电源的使用效率，增加了模组的紫外输出辐照度，结构简单，生产效率高，灯管模块化组合而成，方便安装和维护。

Claims (4)

1.一种准分子紫外光源装置，其特征在于：包含由灯管和外置电极结构组成的光源和与其性能匹配的电源装置。

2.根据权利要求1所述的一种准分子紫外光源装置，其特征在于：准分子灯的灯管由具有紫外线透射率不低于90％的透明脱羟石英玻璃材料构成，灯管壁厚0.2～3mm，其内形成密闭腔体，密闭腔体截面边缘的最远两点间距为5～25mm，在密闭腔体内无金属电极，仅在灯管的外表面设置有多个电极。

3.根据权利要求2所述的一种准分子紫外光源装置，其特征在于：为使外置电极与灯管紧密贴合，通过在灯管外壁印刷导电膏或直接镀导电薄膜的方式形成外置覆膜电极，厚度0.05～0.5mm，在不影响性能情况下，外置覆膜电极做镂空处理，由透光的镂空面积与电极围绕面积的比形成的透光率不低于40％。

4.根据权利要求1所述的一种准分子紫外光源装置，其特征在于：通过多个搭配外置电极的灯管和共享电源形成准分子灯阵列模组，在一个或多个相匹配的电源驱动下，实现模组拼接，在单位面积内提供辐照度更高的准分子灯模组。

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