DE4016555C1 - Cooled UV-low pressure emitter esp. mercury vapour lamp - has extended discharge tube sub-divided into several longitudinal sections parallel to one another and bonded by means of elbows - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gekühlten Ultraviolett(UV)-Nie­ derdruckstrahler, insbesondere eine Quecksilberdampf-Nieder­ drucklampe, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Strahler werden u. a. in Bestrahlungsapparaturen zum Erzeugen photochemischer Reaktionen bzw. Reaktionsprodukte eingesetzt, wie dies in den DE-PS 27 33 344 und 34 22 553 dar­ gestellt und beschrieben ist.

Dabei ragt der Strahler in ein Reaktionsgefäß, an dessen In­ nenwand ein dünner Flüssigkeitsfilm von oben nach unten strömt. Dicke und Geschwindigkeit des Flüssigkeitsfilms können mit Hilfe eines mit Wischelementen bestückten Rotationskörpers beeinflußt werden, wobei die Wischelemente gleichzeitig die Innenwand des Reaktionsgefäßes von etwaigen Ablagerungen be­ freien. Durch die UV-Strahlung wird insbesondere in dem Flüssig­ keitsfilm gelöster, organisch gebundener Kohlenstoff photoche­ misch in Kohlendioxid umgewandelt, das mit einem Trägergas ausgetrieben und sodann quantitativ bestimmt wird. Kombiniert man diese Methode mit einem Chromatographen, so kann man durch eine Korrelation der Meßergebnisse darüber hinaus auch quanti­ tative Aussagen über einzelne Kohlenstoffverbindungen in der Flüssigkeit machen.

Die photochemische Umsetzung in der Bestrahlungsapparatur ist abhängig von der Intensität der UV-Strahlung. Dem Buch "Ultravio­ lette Strahlen", Hrsg. Jürgen Kiefer, Verlag de Gruyter, Ber­ lin, New York, 1976, Abb. 3.11 auf Seite 62 ist zu entnehmen, daß für Quecksilber-Niederdrucklampen die Lichtausbeute bei einem Dampfdruck von ca. 0,1 mm Hg-Säule in dem Entladungsrohr ein Maximum aufweist. Da der Dampfdruck wiederum von der Tem­ peratur des Entladungsrohrs abhängig ist (siehe Seite 70), be­ deutet dies, daß man dafür sorgen muß, daß das Entladungsrohr auf einer Temperatur, z. B. ca. 40°C, gehalten wird, bei der sich die maximale Ausbeute an UV-Strahlung ergibt.

Aus der DE 28 25 018 C2 ist eine Quecksilberdampf-Niederdruck­ lampe zur Entkeimung oder Sterilisierung mittels ultra­ violetter (UV-)Strahlung bekannt, deren Entladungsrohr einen länglich-flachen Querschnitt aufweist. Längs der beiden Schmalseiten des Entladungsrohrs erstrecken sich zwei Kühl­ rohre, die mit einem Kühlgas oder mit Kühlwasser beschickt werden. Dadurch wird das Verhältnis von UV-Strahlung emittie­ render Oberfläche zu Entladungsvolumen im Vergleich zu einem Entladungsrohr mit rundem Querschnitt verbessert. Damit läßt sich jedoch unter den vorerwähnten Druck- und Temperaturbedin­ gungen kein stabiler Langzeitbetrieb erzielen; das Plasma in Form eines "Brettes" flackert.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 39 13 519 A1 wird ein UV-Beleuchtungssystem vorgeschlagen, dessen Entladungsge­ fäß aus zwei konzentrischen Rohren besteht. An der Innenseite dieses doppelwandigen Rohrs ist ein Kühlmantel vorgesehen, durch den eine Flüssigkeit zirkuliert. Dadurch wird ebenfalls das Verhältnis von Rohroberfläche zu Entladungsvolumen gegen­ über einem kreisrunden Entladungsrohr erhöht bei gleichzeiti­ ger Verbesserung der Kühlungsmöglichkeit. Aber auch bei einem so entstehenden, ringförmigen Plasma läßt sich im Niederdruck­ bereich kein stabiler, im Ausbeute-Maximum für UV-Strahlung lie­ gender Betrieb des Entladungsgefäßes erzielen.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen UV-Niederdruckstrahler der gattungsgemäßen Bauart so mit einer Kühlung zu kombinie­ ren, daß weitgehend verlustfrei und unter Aufrechterhaltung des Ausbeute-Maximums für UV-Strahlung die Leistung des Strahlers erheblich gesteigert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von An­ spruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhal­ ten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung.

Mit der Erfindung kann die Leistung des Strahlers - und damit auch die Ausbeute an UV-Strahlung um mehr als das dreifache ge­ steigert werden. Dies hat wiederum eine entsprechende Verkür­ zung der Bestrahlungs- und Meßzeiten zur Folge; d. h. die Ge­ schwindigkeit, mit der der Flüssigkeitsfilm an der Innenwand des Bestrahlungsgefäßes herabströmt, kann erhöht werden. Hierzu wird die Drehzahl des Rotationskörpers, an dem die Wischelemente wendelförmig angeordnet sind, gesteigert. Die höhere Strahlungsintensität garantiert darüber hinaus eine voll­ ständige Umsetzung auch von relativ stabilen Kohlenstoff-Ver­ bindungen.

Durch das Kühlrohr bzw. die darin strömende Kühlflüssigkeit, normalerweise Wasser, wird zwar der diesbezügliche UV-Strahlungs­ teil absorbiert. Da dieses Rohr jedoch auf der dem zu bestrah­ lenden Flüssigkeitsfilm abgewandten Seite angeordnet ist, ent­ steht dadurch kein unmittelbarer, die photochemische Umsetzung beeinträchtigender Strahlungsverlust.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert:

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Bestrahlungsap­ paratur, die mit einem erfindungsgemäß gekühlten UV-Nieder­ druckstrahler ausgestattet ist.

Die Fig. 2 zeigt im Längsschnitt das untere Ende des Strah­ lers gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Variante des erfindungs­ gemäßen gekühlten UV-Niederdruckstrahlers.

Die Bestrahlungsapparatur umfaßt ein feststehendes, rotations­ symmetrisches Reaktionsgefäß 1, an dessen Innenwand 1a die Meßprobe in Gestalt eines dünnen Flüssigkeitsfilms herab­ strömt. In der Meßprobe sind u. a. gelöste, organische Kohlen­ stoffverbindungen enthalten, die bestimmt werden sollen. Im Reaktionsgefäß 1 und in Abstand von dessen Innenwand 1a befin­ det sich ein hohlzylindrischer, UV-lichtdurchlässiger Rotati­ onskörper 2, der durch einen externen Antrieb in Rotation um seine Längsachse 2c versetzt werden kann. Der Rotationskörper 2 ist mit sacklochartigen Führungen 2a zur Aufnahme von stäb­ chenförmigen Wischelementen 2b ausgestattet. Die Elemente 2b sind nach Art einer Wendel entlang der Peripherie des Rotati­ onskörpers 2 angeordnet. Durch die Drehung des Rotationskör­ pers 2 werden die Elemente 2b aufgrund der Zentrifugalkräfte gegen die Innenwand 1a des Reaktionsgefäßes 1 gepreßt und set­ zen dabei die Meßflüssigkeit in Rotation, so daß sich der er­ wähnte, dünne Film ausbildet. Je nach Drehsinn des Rotations­ körpers 2 kann aufgrund der wendelförmigen Anordnung der Ele­ mente 2b die Durchflußgeschwindigkeit des Films von oben nach unten beschleunigt oder verzögert werden. Im übrigen wird be­ züglich des generellen Aufbaus und der Funktionsweise der Be­ strahlungsapparatur auf die eingangs zitierten Patente verwie­ sen.

Wie aus der Fig. 1 weiter zu ersehen ist, ragt in den Rotati­ onskörper 2 ein langgestrecktes Hg-Entladungsrohr in Form von vier Längsrohrabschnitten 3a, 3b, 3c, 3d, die parallel zuein­ ander verlaufen und mittels im Querschnitt verengter Rohrbögen 3f (Fig. 2) miteinander verbunden sind. Die elektrischen An­ schlüsse befinden sich an zwei nach oben aus dem Gefäß 1 her­ ausgeführten Endabschnitten (nicht sichtbar). Die Rohrab­ schnitte 3a, 3b, 3c, 3d sind symmetrisch um ein zentrales Kühlrohr 4 verteilt; sie haben sichelförmige Querschnitte, wo­ bei sie mit ihren kürzeren, zur Längsachse 2c weisenden Wandabschnitten 3e an dem zentralen Kühlrohr 4 flächig und spaltfrei anliegen. Das Kühlrohr 4 ist an seinem unteren Ende durch einen abgerundeten Boden 4a verschlossen; im Innern be­ finden sich ein zentrales Röhrchen 4b für die Kühlmittelzu­ fuhr, das mit seiner Mündung bis kurz oberhalb des Bodens 4a herabgeführt ist. Ein weiteres, das Kühlrohr 4 durchdringendes Röhrchen 4c dient zur Abfuhr von Trägergas, z. B. Stickstoff, und ausgetriebenem CO₂. Das Rohr 4 ist ebenfalls nach oben aus dem Gefäß 1 herausgeführt zur Abfuhr des Kühlmittels. Die Rohrabschnitte 3a, b, c, d haben eine Länge von jeweils etwa 250 mm bei einem Außendurchmesser der längeren Wandabschnitte von 14 mm und einer Wandstärke von 1 mm. Dabei brauchen nur die äußeren, zur Peripherie weisenden Bogenabschnitte UV-strahlungs­ durchlässig zu sein. Anstelle der Anordnung eines separa­ ten Kühlrohrs 4 ist es auch möglich, die vier inneren Bogenab­ schnitte 3e z. B. mit Hilfe eines Lasers zu einem gemeinsamen Kühlrohr zusammenzulöten. Die erforderliche Kühlleistung wird durch Einstellen des Kühlwasserdurchsatzes durch das Rohr 4 eingestellt, nötigenfalls auch durch eine zusätzliche Vorküh­ lung des Kühlwassers. Die Einstellung erfolgt dabei so, daß die Rohrabschnitte 3a, b, c, d an ihrer zur Peripherie weisen­ den Außenwandung eine Temperatur von ca. 35°C annehmen.

Dadurch erzielt man bei einer Quecksilberdampflampe eine opti­ male Ausbeute an UV-Strahlung der Wellenlänge von 185 nm, beglei­ tet von der 254-nm-Linie. Bei einer elektrischen Eingangslei­ stung von 110 bis 120 Watt werden bis zu ca. 80 Watt in reine UV-Strahlungsleistung umgesetzt. Diese UV-Strahlung des Entla­ dungsrohrs 3a, b, c, d bewirkt in dem Flüssigkeitsfilm entlang der Innenwand 1a intensive, photochemische Reaktionen, bei denen u. a. CO₂ entsteht, das mit einem Trägergas ausgetrieben und gemessen wird. Das Verwirbeln des Flüssigkeitsfilms durch die Wischelemente 2b begünstigt diese Vorgänge.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Variante des erfindungsge­ mäßen UV-Niederdruckstrahlers, bei der das Entladungsrohr einen integralen Bestandteil des Kühlrohrs bildet. Das Ent­ ladungsrohr besteht aus zwei langgestreckten, im Querschnitt sichelförmigen Abschnitten 5a, 5b aus UV-durchlässigen Quarz­ glas, die an ihrem unteren Ende (nicht sichtbar) durch einen Rohrbogen miteinander verbunden sind. An den oberen Enden be­ finden sich die elektrischen Anschlüsse. Die Abschnitte 5a, 5b sind entlang ihrer Sichelspitzen 5c, 5d so zusammengeschweißt, daß die kürzeren Sichelbögen 6a, 6b einen im Querschnitt lin­ senförmigen Raum 6 einschließen, der an seinem unteren Ende verschlossen ist und als Kühlrohr für die Abschnitte 5a, 5b dient. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt über ein Röhrchen 6c, das zentral von oben in den Raum 6 hineinragt und kurz oberhalb von dessen unterem, verschlossenem Ende ausmündet. Die Kühl­ mittelabfuhr erfolgt am oberen Ende des Raumes 6. Diese Aus­ führungsform ist besonders für Bestrahlungsapparaturen bzw. Reaktionsgefäße mit relativ engen Querschnitten geeignet.

Claims (3)

1. Gekühlter UV-Niederdruckstrahler, insbesondere Quecksilber­ dampf-Niederdrucklampe, mit einem langgestreckten Ent­ ladungsrohr, das - im Querschnitt gesehen - mit einem Teil seiner Wandung an ein zentrales Kühlrohr angrenzt oder einen integralen Bestandteil dieses zentralen Kühlrohrs bildet, wobei das Kühlrohr parallel zu dem Entladungsrohr verläuft und mit Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Entladungsrohr in mehrere Längsrohrabschnitte (3a, 3b, 3c, 3d) unterteilt ist, die parallel zueinander und symme­ trisch das zentrale Kühlrohr (4) umgeben und mittels Rohr­ bögen (3f) miteinander verbunden sind, und
daß die Längsrohrabschnitte (3a, 3b, 3c, 3d) halbmond- oder si­ chelförmige Querschnitte aufweisen, wobei sie mit ihren kürzeren Wandabschnitten (3e) flächig und spaltfrei an dem zentralen Kühlrohr (4) anliegen oder einen integralen Be­ standteil des zentralen Kühlrohrs bilden.

2. UV-Niederdruckstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbögen (3f) die stirnseitigen Enden des Kühlrohrs (4) umgreifen, und daß das Kühlrohr (4) einseitig an einer Stirnseite (4a) verschlossen ist, wobei der Anschluß (4b) für die Kühlmittelzufuhr durch das Innere des Kühlrohrs (4) geführt ist und nahe an dessen verschlossener Stirnseite (4a) ausmündet.

3. UV-Niederdruckstrahler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß das Entladungsrohr aus zwei im Quer­ schnitt sichelförmigen Längsabschnitten (5a, 5b) besteht, die an ihren unteren Enden miteinander verbunden sind, und
daß die Abschnitte (5a, 5b) entlang ihrer Sichelspitzen (5c, 5d) zusammengeschweißt sind, so daß die kürzeren Sichelbögen (6a, 6b) ein im Querschnitt linsenförmiges Kühlrohr (6) bilden.