真空照明燈的熱力學(xué)分析

　　由于熱應力的影響，真空照明燈具可能出現外殼損壞。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、傳導和對流模型。特別的給出了對流換熱系數沿外殼的變化規律。文中利用有限元方法在A(yíng)nsys平臺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力的分布，模型得到的結果與實(shí)際情況相符。最后對于改進(jìn)燈具設計給出了建議。

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(cháng)程照明。例如飛機著(zhù)陸用照明燈可以在數百米的距離上滿(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)光強度，其功率可以高達數百瓦甚至數千瓦。在燈的外殼設計中，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。針對目前國產(chǎn)燈具存在的外殼因熱應力損壞問(wèn)題，本文對燈具的熱擴散過(guò)程、溫度場(chǎng)分布和應力分布進(jìn)行了分析。

　　目前使用的燈具外形如圖1所示：

圖1 著(zhù)陸照明燈外形

　　為了保證熱膨脹系數的一致性，燈具外殼采用同一型號的玻璃制成。燈的內部注入少量惰性氣體作為保護氣體。燈絲為鎢絲，為了抑制燈絲在高溫下的升華，延長(cháng)其壽命，將燈絲置于玻璃罩內，并在玻璃罩內注入溴化氫作為還原劑，稱(chēng)為燈心。這樣可以使得高溫下鎢絲與溴化氫反應生成溴化鎢和氫氣，并在冷卻后還原為溴化氫和鎢。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：外殼的內外表面產(chǎn)生新的熱輻射，外殼內部發(fā)生傳導，外殼的外表面與周?chē)�空氣發(fā)生對流。由于內部的還原劑和惰性氣體稀薄，可以不計燈具內部氣體所產(chǎn)生的對流換熱效果。

　　與高溫下產(chǎn)生的太陽(yáng)輻射不同，常溫熱輻射主要集中在0.2-2mμ的波長(cháng)范圍內。對于固體表面，常溫熱輻射的發(fā)射和接收只在表面以下很短的距離內進(jìn)行（數十至數百納米），可以認為與物體內部無(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。

　　單原子分子或對稱(chēng)型雙原子氣體既不吸收也不發(fā)射輻射能，對熱射線(xiàn)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強的吸收和發(fā)射熱輻射的能力，這時(shí)這些氣體的存在將會(huì )對固體表面間的輻射傳熱產(chǎn)生影響，并且也會(huì )對包圍它們的表面間進(jìn)行輻射傳熱。因此在燈具的傳熱過(guò)程中，燈心內部的HBr氣體對鎢絲所發(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

　　因為應力損傷主要發(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)分布和應力場(chǎng)分布情況。

　　由對稱(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周?chē)�空間的輻射換熱。除了輻射傳熱，在燈具外殼內部存在熱傳導，外表面存在與周?chē)�空氣的自然對流換熱。

　　外殼所受的應力來(lái)源于由于溫度分布不均勻，由溫差產(chǎn)生的熱應力。由前述結果可知，熱應力的最大值位于前屏和反射鏡的結合處。另一方面，前屏中心處由于溫升最高，是熱疲勞最嚴重的位置。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力，避免外殼炸裂，可以采取如下措施：

　　a． 表面光潔化。對前屏內壁玻璃進(jìn)行光潔化處理，可以減小前屏對熱輻射的吸收率。

　　b． 使用光譜選擇性涂料。某些材料對于長(cháng)波具有較大的發(fā)射率（吸收率），而對于短波則相反。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，只吸收熱效應不強的紫外輻射。

　　c． 加裝強迫對流換熱裝置，加快表面熱量發(fā)散。

　　d． 結合光學(xué)設計，在滿(mǎn)足照明要求的前提下，適度減小熱源功率。

5．結論

　　大功率的真空照明燈具由于受到熱應力的作用，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力分布。當燈具工作時(shí)熱量由燈心輻射至外殼，在殼內通過(guò)傳導形成一定的溫度場(chǎng)分布，這一分布同時(shí)還受到外殼與外界空氣自然對流換熱的影響。溫度的最高點(diǎn)位于前屏的中心偏上位置，溫度梯度的最大值位于前屏與反射鏡的結合部位。這兩個(gè)位置分別對應著(zhù)最嚴重的熱勞損傷和最大的熱應力。為了避免燈具炸裂，可以從材料、結構等方面加以改進(jìn)，其中最重要的是減小前屏對輻射能的吸收。