真空照明灯的热力学分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东南大学电子工程系显示技术中心 作者:顾伟

  由于热应力的影响,真空照明灯具可能出现外壳损坏。本文分析了灯具的热量传播方式,建立了灯具各部位的辐射、传导和对流模型。特别的给出了对流换热系数沿外壳的变化规律。文中利用有限元方法在Ansys平台下求取了外壳的温度场分布、温度梯度分布和热流密度分布。上述分布决定了热应力的分布,模型得到的结果与实际情况相符。最后对于改进灯具设计给出了建议。

1.引言

  真空灯具具有高效率、高亮度等特点,特别适合于长程照明。例如飞机着陆用照明灯可以在数百米的距离上满足一定的照度分布。由于经常要求真空灯具具有大的发光强度,其功率可以高达数百瓦甚至数千瓦。在灯的外壳设计中,除了需要考虑反射面的形状以满足光学性能的要求外,其热力学性质也是值得关注的问题。针对目前国产灯具存在的外壳因热应力损坏问题,本文对灯具的热扩散过程、温度场分布和应力分布进行了分析。

  目前使用的灯具外形如图1所示:

着陆照明灯外形

图1 着陆照明灯外形

  为了保证热膨胀系数的一致性,灯具外壳采用同一型号的玻璃制成。灯的内部注入少量惰性气体作为保护气体。灯丝为钨丝,为了抑制灯丝在高温下的升华,延长其寿命,将灯丝置于玻璃罩内,并在玻璃罩内注入溴化氢作为还原剂,称为灯心。这样可以使得高温下钨丝与溴化氢反应生成溴化钨和氢气,并在冷却后还原为溴化氢和钨。灯的后部表面镀铝以形成反射面。

2.灯具的热量传播方式

  灯具的热源为灯心内的钨丝,自通电后向外辐射热量。钨丝发出的热辐射被灯心外壳吸收后,再由灯心外壳辐射至灯具外壳。

  灯具外壳接收到辐射能后产生一定的温升。这一温升带来以下效果:外壳的内外表面产生新的热辐射,外壳内部发生传导,外壳的外表面与周围空气发生对流。由于内部的还原剂和惰性气体稀薄,可以不计灯具内部气体所产生的对流换热效果。

  与高温下产生的太阳辐射不同,常温热辐射主要集中在0.2-2mμ的波长范围内。对于固体表面,常温热辐射的发射和接收只在表面以下很短的距离内进行(数十至数百纳米),可以认为与物体内部无关。因此灯具的前屏为玻璃的辐射特性,而反射镜面部分则可视为铝的辐射特性。

  单原子分子或对称型双原子气体既不吸收也不发射辐射能,对热射线是透明的;多原子气体或者极性双原子气体分子以及包含这些气体的混合气体,由于这些气体具有相当强的吸收和发射热辐射的能力,这时这些气体的存在将会对固体表面间的辐射传热产生影响,并且也会对包围它们的表面间进行辐射传热。因此在灯具的传热过程中,灯心内部的HBr气体对钨丝所发射的热辐射产生影响,而灯心与灯具外壳之间可视为真空处理。

3.灯具的热分析模型

  因为应力损伤主要发生在灯具外壳,因此在模型中并不关心钨丝和灯心的热力学性质。为此将模型简化,将整个灯心等效为一个热源看待,不再区分钨丝和灯心外壳,致力于分析灯具外壳的温度场分布和应力场分布情况。

  由对称性,取灯具的一个截面建立模型,如图2所示:

 灯具的热分析模型

图2 灯具的热分析模型

  因此热量传递首先是发生在灯心外表面与灯具外壳内表面之间的辐射传热。另外,发生辐射传热的另一场合是反射镜和前屏的外表面对周围空间的辐射换热。除了辐射传热,在灯具外壳内部存在热传导,外表面存在与周围空气的自然对流换热。

  外壳所受的应力来源于由于温度分布不均匀,由温差产生的热应力。由前述结果可知,热应力的最大值位于前屏和反射镜的结合处。另一方面,前屏中心处由于温升最高,是热疲劳最严重的位置。实践中,这两处也是最容易造成外壳炸裂的部位。

  为了减小外壳承受的热应力,避免外壳炸裂,可以采取如下措施:

  a. 表面光洁化。对前屏内壁玻璃进行光洁化处理,可以减小前屏对热辐射的吸收率。

  b. 使用光谱选择性涂料。某些材料对于长波具有较大的发射率(吸收率),而对于短波则相反。使用改类透明涂料可以使可见光和红外光有效透过前屏,只吸收热效应不强的紫外辐射。

  c. 加装强迫对流换热装置,加快表面热量发散。

  d. 结合光学设计,在满足照明要求的前提下,适度减小热源功率。

5.结论

  大功率的真空照明灯具由于受到热应力的作用,其外壳容易损坏,进而影响灯具的寿命。本文研究了真空灯具中由于灯丝的发热而产生的温度场分布,并分析了灯具外壳的应力分布。当灯具工作时热量由灯心辐射至外壳,在壳内通过传导形成一定的温度场分布,这一分布同时还受到外壳与外界空气自然对流换热的影响。温度的最高点位于前屏的中心偏上位置,温度梯度的最大值位于前屏与反射镜的结合部位。这两个位置分别对应着最严重的热劳损伤和最大的热应力。为了避免灯具炸裂,可以从材料、结构等方面加以改进,其中最重要的是减小前屏对辐射能的吸收。

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