真空照明燈的熱力學(xué)分析由于熱應(yīng)力的影響，真空照明燈具可能出現(xiàn)外殼損壞。本文分析了燈具的熱量傳播方式，建立了燈具各部位的輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流模型。特別的給出了對(duì)流換熱系數(shù)沿外殼的變化規(guī)律。文中利用有限元方法在Ansys平臺(tái)下求取了外殼的溫度場(chǎng)分布、溫度梯度分布和熱流密度分布。上述分布決定了熱應(yīng)力的分布，模型得到的結(jié)果與實(shí)際情況相符。最后對(duì)于改良燈具設(shè)計(jì)給出了建議。

1.引言

真空燈具具有高效率、高亮度等特點(diǎn)，特別適合于長(zhǎng)程照明。例如飛機(jī)著陸用照明燈可以在數(shù)百米的距離上滿(mǎn)足一定的照度分布。由于經(jīng)常要求真空燈具具有大的發(fā)光強(qiáng)度，其功率可以高達(dá)數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦。在燈的外殼設(shè)計(jì)中，除了需要考慮反射面的形狀以滿(mǎn)足光學(xué)性能的要求外，其熱力學(xué)性質(zhì)也是值得關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)目前國(guó)產(chǎn)燈具存在的外殼因熱應(yīng)力損壞問(wèn)題，本文對(duì)燈具的熱擴(kuò)散過(guò)程、溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力分布開(kāi)展了分析。

目前使用的燈具外形如圖1所示：

圖1著陸照明燈外形

為了保證熱膨脹系數(shù)的一致性，燈具外殼采用同一型號(hào)的玻璃制成。燈的內(nèi)部注入少量惰性氣體作為保護(hù)氣體。燈絲為鎢絲，為了抑制燈絲在高溫下的升華，延長(zhǎng)其壽命，將燈絲置于玻璃罩內(nèi)，并在玻璃罩內(nèi)注入溴化氫作為復(fù)原劑，稱(chēng)為燈心。這樣可以使得高溫下鎢絲與溴化氫反應(yīng)生成溴化鎢和氫氣，并在冷卻后復(fù)原為溴化氫和鎢。燈的后部表面鍍鋁以形成反射面。

2.燈具的熱量傳播方式

燈具的熱源為燈心內(nèi)的鎢絲，自通電后向外輻射熱量。鎢絲發(fā)出的熱輻射被燈心外殼吸收后，再由燈心外殼輻射至燈具外殼。

燈具外殼接收到輻射能后產(chǎn)生一定的溫升。這一溫升帶來(lái)以下效果：外殼的內(nèi)外表面產(chǎn)生新的熱輻射，外殼內(nèi)部發(fā)生傳導(dǎo)，外殼的外表面與周?chē)諝獍l(fā)生對(duì)流。由于內(nèi)部的復(fù)原劑和惰性氣體稀薄，可以不計(jì)燈具內(nèi)部氣體所產(chǎn)生的對(duì)流換熱效果。

與高溫下產(chǎn)生的太陽(yáng)輻射不同，常溫?zé)彷椛渲饕性?.2-2mμ的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。對(duì)于固體表面，常溫?zé)彷椛涞陌l(fā)射和接收只在表面以下很短的距離內(nèi)開(kāi)展（數(shù)十至數(shù)百納米），可以認(rèn)為與物體內(nèi)部無(wú)關(guān)。因此燈具的前屏為玻璃的輻射特性，而反射鏡面部分則可視為鋁的輻射特性。

單原子分子或?qū)ΨQ(chēng)型雙原子氣體既不吸收也不發(fā)射輻射能，對(duì)熱射線是透明的；多原子氣體或者極性雙原子氣體分子以及包含這些氣體的混合氣體，由于這些氣體具有相當(dāng)強(qiáng)的吸收和發(fā)射熱輻射的能力，這時(shí)這些氣體的存在將會(huì)對(duì)固體表面間的輻射傳熱產(chǎn)生影響，并且也會(huì)對(duì)包圍它們的表面間開(kāi)展輻射傳熱。因此在燈具的傳熱過(guò)程中，燈心內(nèi)部的HBr氣體對(duì)鎢絲所發(fā)射的熱輻射產(chǎn)生影響，而燈心與燈具外殼之間可視為真空處理。

3.燈具的熱分析模型

因?yàn)閼?yīng)力損傷主要發(fā)生在燈具外殼，因此在模型中并不關(guān)心鎢絲和燈心的熱力學(xué)性質(zhì)。為此將模型簡(jiǎn)化，將整個(gè)燈心等效為一個(gè)熱源看待，不再區(qū)分鎢絲和燈心外殼，致力于分析燈具外殼的溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力場(chǎng)分布情況。

由對(duì)稱(chēng)性，取燈具的一個(gè)截面建立模型，如圖2所示：

圖2燈具的熱分析模型

因此熱量傳遞首先是發(fā)生在燈心外表面與燈具外殼內(nèi)表面之間的輻射傳熱。另外，發(fā)生輻射傳熱的另一場(chǎng)合是反射鏡和前屏的外表面對(duì)周?chē)臻g的輻射換熱。除了輻射傳熱，在燈具外殼內(nèi)部存在熱傳導(dǎo)，外表面存在與周?chē)諝獾淖匀粚?duì)流換熱。

外殼所受的應(yīng)力來(lái)源于由于溫度分布不均勻，由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。由前述結(jié)果可知，熱應(yīng)力的最大值位于前屏和反射鏡的結(jié)合處。另一方面，前屏中心處由于溫升最高，是熱疲勞最嚴(yán)重的位置。實(shí)踐中，這兩處也是最容易造成外殼炸裂的部位。

為了減小外殼承受的熱應(yīng)力，防止外殼炸裂，可以采取如下措施：

a.表面光潔化。對(duì)前屏內(nèi)壁玻璃開(kāi)展光潔化處理，可以減小前屏對(duì)熱輻射的吸收率。

b.使用光譜選擇性涂料。某些材料對(duì)于長(zhǎng)波具有較大的發(fā)射率（吸收率），而對(duì)于短波則相反。使用改類(lèi)透明涂料可以使可見(jiàn)光和紅外光有效透過(guò)前屏，只吸收熱效應(yīng)不強(qiáng)的紫外輻射。

c.加裝強(qiáng)迫對(duì)流換熱裝置，加快表面熱量發(fā)散。

d.結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足照明要求的前提下，適度減小熱源功率。

5.結(jié)論

大功率的真空照明燈具由于受到熱應(yīng)力的作用，其外殼容易損壞，進(jìn)而影響燈具的壽命。本文研究了真空燈具中由于燈絲的發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度場(chǎng)分布，并分析了燈具外殼的應(yīng)力分布。當(dāng)燈具工作時(shí)熱量由燈心輻射至外殼，在殼內(nèi)通過(guò)傳導(dǎo)形成一定的溫度場(chǎng)分布，這一分布同時(shí)還受到外殼與外界空氣自然對(duì)流換熱的影響。溫度的最高點(diǎn)位于前屏的中心