Induktive UV-Strahler: Simulation und Vermessung

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurden die ersten UV-Strahlungsquellen auf Quecksilberbasis vorgestellt [1]. Durch permanente Forschung konnte die Effizienz dieser Strahler zwar stetig verbessert werden, jedoch war es bisher nicht realisierbar, das giftige und umweltschädliche Quecksilber bei effizienten UVC-Erzeugung durch unbedenkliche Materialien zu ersetzen.

Mitte der 2000er Jahre konnten durch die Entwicklung von Leistungstransistoren aus Siliciumcarbid (SiC) effiziente Vorschaltgeräte für Leistungen > 1 kW bei Frequenzen im MHz-Bereich realisiert werden [2]. Somit ergibt sich ein neuer Ansatz, um induktiv angeregte Strahlungsquellen zu betreiben. Die Leistungseinkopplung erfolgt bei der induktiven Entladung durch ein induziertes elektrisches Feld, welches durch ein hochfrequentes Magnetfeld in einer Spule erzeugt wird. Durch den elektrodenlosen Betrieb können jegliche Elektrodenreaktionen vernachlässigt werden. Dies eröffnet eine große Auswahl an möglichen Füllkomponenten um Quecksilber zu substituieren. So konnte am Lichttechnischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie ein quecksilberfreies System zur UV-Erzeugung entwickelt werden, welches die Effizienzen von konventionellen Quecksilberstrahlern erreicht [3]. ... mehr

Da es sich bei den entwickelten Strahlungsquellen um geschlossene Systeme handelt, ist das direkte vermessen der Plasma-parameter nicht möglich. Aus diesem Grund wurde ein Simulationsmodell in der FEM-Software COMSOL Multiphysics entwickelt, welches die grundlegenden Plasma-Parameter der Strahler wiedergibt [4]. Das Modell erlaubt das reale System mit verschiedenen Betriebsparametern abzubilden und wurde z.B. zur Untersuchung der Temperaturverteilungen verwendet.
Des Weiteren kann die genannte Software auch genutzt werden um mittels Raytracing die Strahlungsverteilung des Systems zu bestimmen. Durch das Konzept der induktiven Entladung führt die Spulenabschattung zu einer inhomogenen Strahlungsverteilung. Die entwickelte Simulation hilft eine exaktere Effizienzbestimmung zu ermöglichen.
Werden die entwickelten UV-Strahler im Bereich der Luftentkeimung eingesetzt, können die beschriebenen Simulationsmodelle auch zum Nachweis der Entkeimungswirksamkeit genutzt werden. In Verbindung mit einer gegebenen Reaktorgeometrie des Luftreinigers, Refelxionsgraden der verwendeten Materialien und der Vermessung der wirksamen UV-Bestrahlungsstärke an verschiedenen Punkten innerhalb des Systems ist beispielsweise der Nachweis der Entkeimungswirksamkeit durch validierte Simulation nach DIN/TS 67506:2022 möglich.
[1] Circa 1903: Artefakte in der Gründungszeit des Deutschen Museums; Vol. N.F., 19, Abhandlungen und Berichte / Deutsches Museum, Deutsches Museum: München, 2003.
[2] Raymond S. Pengelly, Simon M. Wood, James W. Milligan, Scott T. Sheppard, and William L. Pribble. A review of gan on sic high electron-mobility power transistors and mmics. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 60(6):1764–1783, 2012.
[3] Gehring, T. Induktiv angeregte quecksilberfreie Hochdruckplasmen für den Einsatz in UV-Desinfektionssystemen. Hochschulschrift, 2022. https://doi.org/10.5445/IR/1000149951.
[4] COMSOL Multiphysics v. 6. www.comsol.com. COMSOL AB, Stockholm, Sweden.