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力的分布，模型得到的結果與實際情況相符。最后對于改進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，特別適合于長程照明。例如飛機著陸用照明燈可以在數百米的距離上滿足一定的照度分布。由于經常要求真空燈具具有大的發光強度，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足光學性能的要求外，其熱力學性質也是值得關注的問題。針對目前國產燈具存在的外殼因熱應力損壞問題，本文對燈具的熱擴散過程、溫度場分布和應力分布進行了分析。

　　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生一定的溫升。這一溫升帶來以下效果：外殼的內外表面產生新的熱輻射，外殼內部發生傳導，外殼的外表面與周圍空氣發生對流。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生的對流換熱效果。

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

　　單原子分子或對稱型雙原子氣體既不吸收也不發射輻射能，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強的吸收和發射熱輻射的能力，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，燈心內部的HBr氣體對鎢絲所發射的熱輻射產生影響，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生在燈具外殼，因此在模型中并不關心鎢絲和燈心的熱力學性質。為此將模型簡化，將整個燈心等效為一個熱源看待，不再區分鎢絲和燈心外殼，致力于分析燈具外殼的溫度場分布和應力場分布情況。

　　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，在燈具外殼內部存在熱傳導，外表面存在與周圍空氣的自然對流換熱。

　　外殼所受的應力來源于由于溫度分布不均勻，由溫差產生的熱應力。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，加快表面熱量發散。

　　d． 結合光學設計，在滿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，進而影響燈具的壽命。本文研究了真空燈具中由于燈絲的發熱而產生的溫度場分布，并分析了燈具外殼的應力分布。當燈具工作時熱量由燈心輻射至外殼，在殼內通過傳導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合部位。這兩個位置分別對應著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，其中最重要的是減小前屏對輻射能的吸收。