Aanpassen van de koeling van UV-lampen

Lagedruk-kwiklampen bereiken hun hoogste UV-uitgangsvermogen bij een wandtemperatuur van ongeveer 40 tot 50 °C, wat overeenkomt met een kwikdampdruk van rond 0,8 Pa. Lampen die te koud zijn, stralen te weinig uit, lampen die te heet zijn, verliezen vermogen door reabsorptie. De koeling moet daarom niet worden ingesteld op maximale koelcapaciteit, maar op dit temperatuurvenster.

Lagedruk-kwiklampen zijn lampen met emissie bij 254 nm, die vaak worden gebruikt in UV-toepassingen zoals de desinfectie van water, lucht en oppervlakken. Voorzien van een fosforcoating stralen deze lampen ook UVA- en UVB-straling uit.

Lagedruk-kwiklampen zijn efficiënt en kosteneffectief en worden daarom veel gebruikt. Deze lampen bevatten een kleine hoeveelheid kwik (Hg), dat tijdens de werking overgaat in een gasvormige toestand en door de elektrische ontlading als plasma wordt geëxciteerd en UV-straling uitstraalt bij 254 nm en 185 nm.

Fysische principes van UV-lampen

De dampdruk van kwik in een lagedruk-kwiklamp is een beslissende factor voor de UV-emissie. De dampdruk beschrijft de druk die het kwik in gasvormige toestand binnen de lamp uitoefent. Deze is sterk temperatuurafhankelijk: bij hogere temperaturen neemt de dampdruk toe, bij lagere temperaturen neemt deze af. De efficiëntie van de UV-emissie hangt direct af van de dampdruk van het kwik. 

De Hg-druk neemt toe naarmate de omgevingstemperatuur stijgt. Dit betekent dat er meer Hg-atomen worden uitgestraald, maar ook de reabsorptie van resonantiestraling neemt toe. Er is daarom een maximale stralingsopbrengst bij de optimale temperatuur van ongeveer 40 °C - 50 °C of de optimale Hg-druk van 0,8 Pa. Het optimum hangt onder andere af van de buisdiameter.

Temperatuurbereiken van lagedruk-kwiklampen

Het vermogen van een lagedruk-kwiklamp is sterk temperatuurafhankelijk. Er is een smal temperatuurbereik waarin de lamp optimaal functioneert:

Bij een optimale temperatuur van ongeveer 40 °C tot 50 °C (voor lagedruklampen) bereikt de lamp de ideale dampdruk van kwik van ongeveer 0,8 Pa (Pascal). De efficiëntie is in dit bereik optimaal.

• Als de lamp te heet wordt, stijgt de dampdruk van het kwik boven het optimale niveau. Dit leidt tot een te hoge kwikdampdruk en de efficiëntie van de lamp neemt af. Daardoor neemt ook de UV-stralingsflux af.

• Als de temperatuur te laag is, daalt de dampdruk onder het optimale niveau, waardoor er niet genoeg kwikatomen in de gasfase aanwezig zijn. Eenvoudig gezegd zijn de exciterende elektronen te snel of raken ze de kwikatomen niet. Dit leidt eveneens tot een lagere UV-emissie.

   

Koudste punt van de UV-lampen

Het koudste punt in een lagedruk-kwiklamp is het punt binnen de lamp waar de temperatuur het laagst is. Dit punt is beslissend voor de regeling van de kwikdampdruk, omdat hier de kwikdruppeltjes zich verzamelen en verdampen. De positie en temperatuur van dit punt hebben een directe invloed op de hoeveelheid kwikdamp in de lamp.

Praktische toepassing

Lagedruk-kwiklampen bereiken hun optimale bedrijfstemperatuur alleen wanneer zelfopwarming en koeling in evenwicht zijn; de omgevingstemperatuur heeft dus een directe invloed op het uitgangsvermogen. Wanneer de lamp wordt ontstoken en de inbrandfase (zelfopwarming) begint, verdampt het kwik. Er ontstaat een hogere kwikdamp en de lampspanning stijgt. 

Het optimale punt wordt bereikt wanneer de stralingsflux weer daalt. Vanaf dit punt is de lamp te heet. Doorgaans ontstaat daarna (later) een thermisch stabiele toestand. Dit betekent dat de lamp stabiel op één niveau brandt.

De positie van dit stabiele niveau is nu afhankelijk van de koeling op het koudste punt.

Goed gekoelde lagedruk-kwiklampen bereiken een stabiele werking van ongeveer 10-15% onder het maximum dat wordt bereikt bij de optimale temperatuur van ongeveer 40 °C tot 50 °C.

Ondergekoelde lagedruk-kwiklampen bereiken soms slechts 30-70% van het maximale uitgangsvermogen.

Lagedruk-kwiklampen die te sterk worden gekoeld, bereiken de optimale temperatuur mogelijk helemaal niet.

Het regelen van de temperatuur in lagedruk kwiklampen is in de praktijk geen grote uitdaging. Veelvoorkomende problemen en hun oplossingen zijn onder andere

• Problemen:
  • Overhitting: Dit leidt tot een te hoge dampdruk en dus tot een verminderde UV-emissie.
  • Onderkoeling: Kan optreden door lage omgevingstemperaturen of onvoldoende opwarming van de lamp. Dit leidt tot een te lage dampdruk en eveneens tot een verminderde UV-emissie.
• Oplossingen:

De efficiëntie en prestaties van lagedruk kwiklampen kunnen worden gemaximaliseerd door de koeling zorgvuldig te parametreren en de opstarttijd na het inschakelen te meten.

Opmerkingen over amalgaamlampen en middendruklampen

UV-amalgaamlampen en middendruklampen verschillen aanzienlijk van lagedruk kwiklampen wat betreft hun temperatuurgedrag en de verdamping van hun doteringen.

Amalgaamlampen bereiken hogere vermogens en temperaturen. Hiervoor gebruiken UV-amalgaamlampen een amalgaammengsel dat een stabielere UV-output mogelijk maakt bij hogere temperaturen van ongeveer 100 °C - 120 °C. Het amalgaam, een legering van kwik en een ander metaal zoals indium of gallium, zorgt ervoor dat de kwikdampdruk ook bij deze temperaturen laag blijft. Hierdoor kan de lamp bij hogere bedrijfstemperaturen werken zonder dat de efficiëntie van de UV-emissie verloren gaat.

Middendruklampen werken daarentegen bij veel hogere temperaturen en drukken dan lagedruklampen. Ze produceren een breed spectrum aan UV-straling, waaronder UV-A, UV-B en UV-C, en zijn geschikt voor toepassingen met een hoger vermogensbehoefte. In deze lampen verdampt het kwik en elke dotering van extra metalen volledig. Het koudste punt van deze lampen moet ongeveer 600 °C - 800 °C bereiken.

Koeling is hier van cruciaal belang, omdat overhitting de lampen kan vernietigen.

Te sterke koeling kan de efficiëntie van de straling ernstig verminderen en afzonderlijke doteringen kunnen condenseren of sublimeren. Hierdoor ontbreken deze in de ontlading en ontbreken bijgevolg de lijnen in het spectrum.