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)和對流模型。特別的給出了對流換熱系數(shù)沿外殼的變化規(guī)律。文中利用有限元方法在Ansys平臺下求取了外殼的溫度場分布、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)果與實際情況相符。最后對于改進燈具設(shè)計給出了建議。

1．引言

　　真空燈具具有高效率、高亮度等特點，特別適合于長程照明。例如飛機著陸用照明燈可以在數(shù)百米的距離上滿足一定的照度分布。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(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦。在燈的外殼設(shè)計中，除了需要考慮反射面的形狀以滿足光學(xué)性能的要求外，其熱力學(xué)性質(zhì)也是值得關(guān)注的問題。針對目前國產(chǎn)燈具存在的外殼因熱應(yīng)力損壞問題，本文對燈具的熱擴散過程、溫度場分布和應(yīng)力分布進行了分析。

　　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的玻璃制成。燈的內(nèi)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)注入溴化氫作為還原劑，稱為燈心。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(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)，外殼的外表面與周圍空氣發(fā)生對流。由于內(nèi)部的還原劑和惰性氣體稀薄，可以不計燈具內(nèi)部氣體所產(chǎn)生的對流換熱效果。

　　與高溫下產(chǎn)生的太陽輻射不同，常溫?zé)彷椛渲饕�集中�?.2-2mμ的波長范圍內(nèi)。對于固體表面，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)進行（數(shù)十至數(shù)百納米），可以認(rèn)為與物體內(nèi)部無關(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型雙原子氣體既不吸收也不發(fā)射輻射能，對熱射線是透明的；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)強的吸收和發(fā)射熱輻射的能力，這時這些氣體的存在將會對固體表面間的輻射傳熱產(chǎn)生影響，并且也會對包圍它們的表面間進行輻射傳熱。因此在燈具的傳熱過程中，燈心內(nèi)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(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)。為此將模型簡化，將整個燈心等效為一個熱源看待，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分布和應(yīng)力場分布情況。

　　由對稱性，取燈具的一個截面建立模型，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合是反射鏡和前屏的外表面對周圍空間的輻射換熱。除了輻射傳熱，在燈具外殼內(nèi)部存在熱傳導(dǎo)，外表面存在與周圍空氣的自然對流換熱。

　　外殼所受的應(yīng)力來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，避免外殼炸裂，可以采取如下措施：

　　a． 表面光潔化。對前屏內(nèi)壁玻璃進行光潔化處理，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。使用改類透明涂料可以使可見光和紅外光有效透過前屏，只吸收熱效應(yīng)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(jié)合光學(xué)設(shè)計，在滿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)生的溫度場分布，并分析了燈具外殼的應(yīng)力分布。當(dāng)燈具工作時熱量由燈心輻射至外殼，在殼內(nèi)通過傳導(dǎo)形成一定的溫度場分布，這一分布同時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(jié)合部位。這兩個位置分別對應(yīng)著最嚴(yán)重的熱勞損傷和最大的熱應(yīng)力。為了避免燈具炸裂，可以從材料、結(jié)構(gòu)等方面加以改進，其中最重要的是減小前屏對輻射能的吸收。