UV-Lampen Kühlung einstellen

Quecksilber-Niederdrucklampen sind Lampen, die häufig in UV-Anwendungen wie der Desinfektion von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt werden. Mit Leuchtstoffen beschichtet emittieren diese Lampen auch UVA- der UVB-Strahlung.

Quecksilber-Niederdrucklampen sind effizient und kostengünstig und werden daher sehr weiterverbreitet eingesetzt. Diese Lampen enthalten eine geringe Menge Quecksilber (Hg), das im Betrieb in den gasförmigen Zustand übergeht und durch die elektrische Entladung als Plasma angeregt wird. Dabei wird UV-Strahlung bei 254 nm und 185 nm emittiert.

Physikalische Grundlagen von UV-Lampen

Der Dampfdruck von Quecksilber in einer Quecksilber-Niederdrucklampe ist ein entscheidender Faktor für die UV-Emission. Der Dampfdruck beschreibt den Druck, den das Quecksilber im gasförmigen Zustand innerhalb der Lampe ausübt. Er ist stark temperaturabhängig: Bei höheren Temperaturen steigt der Dampfdruck, bei niedrigeren Temperaturen sinkt er. Die Effizienz der UV-Emission hängt direkt vom Dampfdruck des Quecksilbers ab. 

Mit zunehmender Umgebungstemperatur wächst der Hg-Dampfdruck. Es emittieren damit mehr Quecksilberatome, aber die Reabsorption nimmt aber auch zu. Es existiert daher ein Maximum der Strahlungsaubeute bei der optimalen Temperatur von ca. 40 °C - 50 °C bzw. dem optimalen Hg-Druck von 0,8 Pa. Das Optimum ist u.a. auch abhängig vom Rohdurchmesser.

Temperaturbereiche der Quecksilber-Niederdrucklampen

Die Leistung einer Quecksilber-Niederdrucklampe ist stark temperaturabhängig. Es gibt einen engen Temperaturbereich, in dem die Lampe optimal funktioniert:

Bei einer optimalen Temperatur von etwa 40°C bis 50°C (für Niederdrucklampen) erreicht die Lampe den idealen Dampfdruck von Quecksilber bei ca 0,8 Pa (Pascal). In diesem Bereich ist die Effizienz optimal.

• Wird die Lampe zu heiß, steigt der Dampfdruck des Quecksilbers über das optimale Niveau hinaus. Dies führt zu einem zu hohen Quecksilberdampfdruck und die Effizienz der Lampe nimmt ab. Infolgedessen sinkt auch der UV-Strahlungsfluss.

• Bei zu niedrigen Temperaturen sinkt der Dampfdruck unter das optimale Niveau, was bedeutet, dass nicht genügend Quecksilberatome in der Gasphase vorhanden sind. Die anregenden Elektronen sind, vereinfacht gesagt zu schnell oder treffen die Quecksilberatome nicht. Dies führt ebenfalls zu einer verminderten UV-Emission.

   

Kältester Punkt an den UV-Lampen

Der kälteste Punkt in einer Quecksilber-Niederdrucklampe ist die Stelle innerhalb der Lampe, an der die Temperatur am niedrigsten ist. Dieser Punkt ist entscheidend für die Regulierung des Quecksilberdampfdrucks, da sich hier die Quecksilbertröpfchen sammeln und verdampfen. Die Position und Temperatur dieses Punktes beeinflussen direkt die Menge an Quecksilberdampf, der im Lampenkolben vorhanden ist.

Praktische Anwendung

In der Regel erreichen Quecksilber-Niederdrucklampen die optimale Betriebstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur, wenn ausreichend Wärme in der Lampe entsteht. Durch das Zünden der Lampe und der beginnenden Einbrennphase (Eigenerwärmung) verdampft das Quecksilber. Es entsteht ein höherer Quecksilberdampf und die Lampenspannung steigt. 

Der optimale Punkt ist erreicht, wenn der Strahlungsfluss wieder sinkt. Ab diesem Zeitpunkt ist die Lampe zu heiß. Typischerweise bildet sich dann (später) ein thermisch stabiler Zustand aus. D. h. die Lampe brennt stabil auf einem Niveau.

Die Lage dieses stabilen Niveaus ist nun eben von der Kühlung am kältesten Punkt abhängig.

Gut gekühlte Quecksilber-Niederdrucklampen erreichen den stabilen Betrieb etwar 10-15% unter dem Maximum, das bei der optimalen Temperatur von etwa 40°C bis 50°C erreicht wird.

Zu wenig gekühlte Quecksilber-Niederdrucklampen erreichen z.T. nur 30-70% des Maximums.

Zu stark gekühlte Quecksilber-Niederdrucklampen erreichen die optimale Temperatur zum Teil überhaupt nicht.

Die Steuerung der Temperatur in Quecksilber-Niederdrucklampen stellt in der Praxis keine große Herausforderung dar. Zu den häufigen Problemen und deren Lösungen gehören:

Probleme:

• Überhitzung: Dies führt zu einem zu hohen Dampfdruck und damit zu einer verminderten UV-Emission.
• Unterkühlung: Kann durch niedrige Umgebungstemperaturen oder durch unzureichende Erwärmung der Lampe auftreten. Dies führt zu einem zu niedrigen Dampfdruck und ebenfalls zu einer verminderten UV-Emission.

Lösungen:
Durch eine sorgfältige Parametrisierung der Kühlung und Messung des Hochlaufs nach dem Einschalten kann die Effizienz und Leistung von Quecksilber-Niederdrucklampen maximiert werden.

Hinweise für Amalgamlampen und Mitteldrucklampen

UV Amalgamlampen und Mitteldrucklampen unterscheiden sich signifikant in ihrem Temperaturverhalten und dem Verdampfen ihrer Dotierungen von Quecksilber-Niederdrucklampen. 

Amalgamlampen erreichen höhere Leistungen und Temperaturen. Hierzu verwenden UV Amalgamlampen eine Amalgam-Mischung, die eine stabilere UV-Leistung bei höheren Temperaturen von ca. 100 °C - 120 °C ermöglicht. Das Amalgam, eine Legierung aus Quecksilber und einem weiteren Metall wie Indium oder Gallium, sorgt dafür, dass der Quecksilberdampfdruck auch bei diesen Temperaturen niedrig bleibt. Dadurch kann die Lampe bei höheren Betriebstemperaturen arbeiten, ohne die Effizienz der UV-Emission zu verlieren. 

Mitteldrucklampen hingegen arbeiten bei wesentlich höheren Temperaturen und Drücken als Niederdrucklampen. Sie erzeugen ein breites Spektrum an UV-Strahlung, einschließlich UV-A, UV-B und UV-C, und sind für Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf geeignet. Bei diesen Lampen verdampft das Quecksilber und ggf. die Dotierungen, aus zusätzlichen Metallen, komplett. Der kälte Punkt bei diesen Lampen sollte ca. 600°C - 800 °C erreichen.

Die Kühlung ist hier besonders kritisch, da eine Überhitzung die Lampen zerstören kann.

Eine zu starke Kühlung kann die Effizienz der Strahlung stark beeinträchtigen und einzelne Dotierungen können kondensieren oder sublimieren. Hierdurch fehlen diese in der Entladung und in Folge dessen „fehlen die Linien im Spektrum“.